Fullerène

Un fullerène est une molécule de carbone sous la forme d’une sphère creuse, d’un ellipsoïde, d’un tube et de nombreuses autres formes. Les fullerènes sphériques, également appelés Buckminsterfullerenes ou buckyballs, ressemblent aux balles utilisées dans le football association. Les fullerènes cylindriques sont également appelés nanotubes de carbone (Buckytubes). Les fullerènes sont semblables à la structure au graphite, qui est composé de feuilles de graphène empilées d’anneaux hexagonaux liés. Ils sont cylindriques, ils doivent donc contenir des anneaux pentagonaux (ou parfois heptagonaux).

Structure du Fullerène (Source Photo: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)

Les découvreurs de l’allotrope de carbone buckminsterfullerene (C60) du nom de Richard Buckminster Fuller, un modeleur architectural noté qui a popularisé le dôme géodésique. Puisque buckminsterfullerenes ont une forme similaire à celle des dômes, et ils ont trouvé le nom approprié.

La famille des fullerènes est venue à Buckminsterfullerene, le nom raccourci «fullerene» est utilisé pour désigner la famille des fullerènes. Le suffixe « -ene » indique que chaque atome C est lié de manière covalente à trois autres (au lieu du maximum de quatre), une situation qui correspondrait classiquement à l’existence de deux liaisons d’électrons (« doubles liaisons »).

Types de fullerènes

Depuis la découverte des fullerènes en 1985, les variations structurelles des fullerènes ont évolué bien au-delà des grappes individuelles elles-mêmes. Les exemples incluent:

Clusters de Buckyball: le plus petit membre est le C20 (version allemande de dodécaèdre) et le plus commun est le C 60;

Nanotubes: tubes creux de très petites dimensions, à parois simples ou multiples; applications potentielles dans l’industrie électronique;

Megatubes: nanotubes plus grands que le diamètre et préparés avec des parois d’épaisseurs différentes; potentiellement utilisé pour le transport de diverses molécules de différentes tailles;

Polymères: des polymères à chaîne, bidimensionnels et tridimensionnels sont formés dans des conditions de haute température à haute pression; les polymères monocaténaires sont formés en utilisant la voie de polymérisation radicalaire par transfert d’atomes (ATRAP);

Nano « oignons »: particules sphériques basées sur de multiples couches de carbone entourant un noyau de buckyball; proposées pour les lubrifiants;

Des dimères « ball-and-chain » liés: deux buckyballs reliés par une chaîne carbonée;

Anneaux de fullerène.

Figure 2. Types de Fullerènes

Propriétés physico-chimiques

Au début des années 2000, les propriétés chimiques et physiques des fullerènes étaient un sujet très intéressant dans le domaine de la recherche et du développement. La science populaire a examiné les utilisations possibles des fullerènes (graphène) dans les armure. En avril 2003, des fullerènes étaient à l’étude pour un usage médicinal potentiel: la liaison d’antibiotiques spécifiques à la structure pour cibler des bactéries résistantes et même cibler certaines cellules cancéreuses telles que le mélanome. Le numéro d’octobre 2005 de Chemistry & Biology émet un article décrivant l’utilisation du fullerène en tant qu’agent antimicrobien activé par la lumière.

Dans le domaine de la nanotechnologie, la résistance à la chaleur et la supraconductivité font partie des propriétés les plus étudiées.

Dans une atmosphère inerte. Le plasma de carbone résultant entre les électrodes se refroidit dans la suie à partir de laquelle de nombreux fullerènes peuvent être isolés.

Méthodes quantiques ab initio appliquées aux fullerènes. Par les méthodes DFT et TD-DFT on peut obtenir les spectres IR, Raman et UV. Les résultats de ces calculs peuvent être comparés aux résultats expérimentaux.

Aromaticité

Les chercheurs ont été en mesure d’augmenter la réactivité des fullerènes en attachant des groupes actifs à leurs surfaces. Buckminsterfullerene ne présente pas de « superaromaticité », c’est-à-dire que les électrons des anneaux hexagonaux ne se délocalisent pas sur toute la molécule.

Un fullerène sphérique de n atomes de carbone possède n électrons pi-liants , libres de se délocaliser. Ceux-ci devraient essayer de se délocaliser sur toute la molécule. La mécanique quantique d’un tel arrangement ne devrait ressembler qu’à une seule coquille de la structure mécanique quantique bien connue d’un seul atome, avec une coquille remplie stable pour n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98, 128, etc.; soit deux fois un nombre carré parfait ; mais cette série ne comprend pas 60. Cette règle 2 ( N  + 1) 2 (avec N entier) pour l’aromaticité sphérique est l’analogue tridimensionnel de la règle de Hückel . Le cation 10+satisfaireait cette règle, et devrait être aromatique. Ceci a été montré pour être le cas en utilisant la modélisation chimique quantique , qui a montré l’existence de forts courants sphériques diamagnétiques dans le cation.

En conséquence, C 60 dans l’eau tend à prendre deux autres électrons et à devenir un anion . Le n C 60 décrit ci-dessous peut être le résultat de C 60 essayant de former une liaison métallique lâche .

Chimie

D’autres atomes peuvent être piégés à l’intérieur des fullerènes pour former des composés d’inclusion connus sous le nom de fullerènes endoédriques . Un exemple inhabituel est le fullerène Tb 3 N @ C 84 en forme d’œuf , qui viole la règle du pentagone isolé. Des preuves récentes d’un impact de météores à la fin de la période permienne ont été trouvées en analysant des gaz nobles ainsi préservés. Les inoculums à base de métallofullérène utilisant le procédé de l’acier rhonditique commencent la production comme l’une des premières utilisations commercialement viables des buckyballs.

Synthèse des fullerènes

Deux théories ont été proposées pour décrire les mécanismes moléculaires qui produisent les fullerènes. L’ancienne théorie «ascendante» propose qu’ils soient construits atome par atome. L’approche «top-down» alternative prétend que les fullerènes se forment quand des structures beaucoup plus grandes se divisent en parties constituantes.

En 2013, les chercheurs ont découvert que les fullerènes asymétriques formés à partir de structures plus grandes se transforment en fullerènes stables. La substance synthétisée était un métallofullerène particulier constitué de 84 atomes de carbone avec deux atomes de carbone supplémentaires et deux atomes d’yttrium à l’intérieur de la cage. Le procédé a produit environ 100 microgrammes.

Cependant, on a trouvé que la molécule asymétrique pourrait théoriquement s’effondrer pour former presque tous les fullerènes et métallofullérènes connus. Des perturbations mineures impliquant la rupture de quelques liaisons moléculaires rendent la cage très symétrique et stable. Cette idée soutient la théorie selon laquelle les fullerènes peuvent être formés à partir du graphène lorsque les liaisons moléculaires appropriées sont rompues.

Technologies de production

Les procédés de production de fullerène comprennent les cinq sous-processus suivants: (i) synthèse de fullerènes ou de suie contenant du fullerène; (ii) l’extraction; (iii) séparation (purification) pour chaque molécule de fullerène, donnant des fullerènes purs tels que C 60 ; (iv) la synthèse de dérivés (en utilisant principalement les techniques de synthèse organique); (v) autre post-traitement tel qu’une dispersion dans une matrice. Les deux méthodes de synthèse utilisées dans la pratique sont la méthode de l’arc et la méthode de combustion. Ce dernier, découvert au Massachusetts Institute of Technology , est préféré pour la production industrielle à grande échelle.

Applications

Les fullerènes ont été largement utilisés pour plusieurs applications biomédicales, notamment la conception d’agents de contraste IRM à haute performance, d’agents de contraste pour l’imagerie radiographique, de thérapie photodynamique et de transport de médicaments et de gènes, résumées dans plusieurs revues complètes.

Sécurité et Toxicité

Une revue complète et récente sur la toxicité du fullerène a été réalisée par Lalwani et al. Ces auteurs passent en revue les travaux sur la toxicité du fullerène depuis le début des années 1990 jusqu’au présent et concluent que très peu de preuves recueillies depuis la découverte des fullerènes indiquent que le C 60 est toxique. La toxicité de ces nanoparticules de carbone dépend non seulement de la dose et du temps, mais dépend également d’un certain nombre d’autres facteurs tels que: le type (par exemple, C 60 , C 70 , M @ C 60 , M @ C 82, les groupes fonctionnels utilisés pour hydrosolubiliser ces nanoparticules (par exemple, OH, COOH), et la méthode d’administration (par exemple, intraveineuse, intrapéritonéale). Les auteurs recommandent donc que la pharmacologie de chaque nouveau complexe à base de fullerène ou de métallofullérène soit évaluée individuellement en tant que composé différent.

 




Fullerènes carbonylés: propriétés physico-chimiques et Applications potentielles

Un fullerène est une molécule de carbone pure composée d’au moins 60 atomes de carbone. Les fullerènes sont considérés comme des composants prometteurs pour les futurs systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et des nanotechnologies. Le travail actuel sur le fullerène est largement théorique et expérimental.

Les fullerènes carbonylés pourraient avoir de très larges applications dans la science et la technologie. Par conséquent, il est particulièrement intéressant d’étudier les propriétés physico-chimiques et biologiques et les applications de ces composés.

Le fullerène de Buckminster (C60) a été découvert en 1985 par Richard Smalley, Robert Curl et Harold Kroto, qui ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996. Les années suivantes ont vu une série de découvertes dans les domaines de la nanoscience et de la nanotechnologie. Les propriétés des fullerènes ont été étudiées en vue d’une utilisation potentielle en médecine, en tant qu’agents antimicrobiens activés par la lumière, pour leur résistance à la chaleur, pour leur supraconductivité et pour leur biocompatibilité. Les nanomatériaux à base de fullerène ont été utilisés dans des dispositifs photovoltaïques, des dispositifs biomédicaux, des piles à combustible et des procédés membranaires. Cependant, l’application de fullerènes peut être limitée en raison des problèmes associés au mélange des molécules dans des solutions aqueuses. Par exemple, la solubilité de C60 dans l’eau à 298 K est égale à 1,3.10-11 g l-1; la solubilité de C70 est égale à 1,1 · 10-13 g l-1 . Les formes solubles dans l’eau des dérivés du fullerène trouvent de larges applications en génie mécanique (dans les mélanges de refroidissement et antifriction hydrosolubles), en construction (en tant qu’additifs solubles pour les ciments et les bétons), médicaments et produits pharmaceutiques (en raison de leur compatibilité avec de l’eau, des solutions salines physiologiques, du sang, de la lymphe, des sucs gastriques, etc.), des cosmétiques (spécifiquement ceux à base d’eau-alcool). Ces applications potentielles suscitent un intérêt particulier dans le développement de procédés de synthèse de dérivés de fullerène hydrosolubles à l’échelle industrielle. Les fullerènes carbonylés ont une structure modifiable pratique pour une utilisation pratique et une faible toxicité. Le fullerène carboxylé est considéré comme l’une des classes hydrosolubles les plus prometteuses des dérivés du fullerène. Cet article est consacré à la description de la synthèse connue des fullerènes carbonylés hydrosolubles et de leurs propriétés physico-chimiques et biologiques. L’article analyse également les applications possibles de dérivés carbonylés de fullerènes en biologie et en médecine, en agriculture et en tant que nano-modifiants de polymères.

Synthèse de fullerènes carbonylés

L’analyse de la littérature révèle la présence d’articles consacrés à la synthèse de fullerènes carbonylés avec différents degrés de substitution ainsi que de divers groupes substituants. Typiquement, la synthèse est réalisée en deux étapes: la cyclopropanation du fullerène (ou réaction de Bingel) et l’hydrogénolyse des esters de fullerène.

La cyclopropanation des fullerènes en présence de bases organiques (NaH, DBU, pyridine, tert-butylate de potassium, NaH, triméthylamine, K2CO3) est l’un des outils les plus efficaces pour la synthèse des méthanofullerènes. Au cours de la première étape, l’ajout nucléophile de carbanion α-halogène stabilisé au noyau de fullerène a lieu. Ce processus s’accompagne d’une substitution intramoléculaire de l’atome d’halogène par un centre anionique généré sur la sphère fullerène. Le mécanisme de cette réaction est présenté sur la figure 1. Tous les dérivés d’esters synthétisés de fullerènes légers (C60 et C70) sont présentés dans des matériaux supplémentaires (tableau 1). La figure 2 présente l’hydrogénolyse d’un dérivé ester de fullerènes (synthétisé en utilisant la réaction de Bingel) conduisant à la formation de fullerènes carbonylés. Tous les dérivés carboxy synthétisés et caractérisés des fullerènes sont systématisés dans le tableau 2 des matériaux supplémentaires. De plus, des fullerènes carbonylés peuvent être préparés par d’autres méthodes, par ex. les dérivés contenant un groupe carboxy peuvent être synthétisés en utilisant des ylures,  ou via une synthèse en phase solide et par hydrolyse de divers cyclopropyl fullerène-3′-carboxylates en milieu acide.

Fig. 1. Mécanisme de formation du dérivé ester des fullerènes.

Tableau 1. Analyse thermique complexe du cristallohydrate de C60 [(C (COOH) 2] 3. Tm – température de l’effet thermique maximum, Tb et Te – températures du début et de la fin de l’effet thermique, Δm mi / m0– la perte de masse, m0 – masse initiale.

Fig. 2. Hydrogénolyse du dérivé ester des fullerènes.

Tableau 2. Analyse thermique complexe du cristallohydrate de C70 [(C (COOH) 23. Tm – température de l’effet thermique maximum, Tb et Te – températures du début et de la fin de l’effet thermique, Δm mi / m0– la perte de masse, m0 – masse initiale.

Application de fullerènes carbonylés comme nanomodifiants de polyélectrolytes

Ces dernières années, il y a eu un intérêt croissant pour l’étude des matériaux nanoioniques et de leurs applications dans les dispositifs électrochimiques à l’état solide. Dans ce contexte, une attention accrue a été accordée au développement de membranes polymères composites pour piles à combustible et pour les éléments sensibles à l’humidité . L’intérêt pour les matériaux composites à base de Nafion est apparemment dû à l’absence d’ionomères disponibles dans le commerce dont les performances dépassent largement celles des membranes ionomères perfluorées. Pour cette raison, l’attention de nombreux chercheurs se concentre maintenant sur la recherche de matériaux composites dont les caractéristiques dépassent le Nafion nu. La propriété principale qui est généralement traitée est la conductivité du proton à des températures élevées et de faibles niveaux d’humidité relative (HR). En particulier, une très faible conductivité du proton dans de telles conditions complique les mesures précises, ce qui constitue un obstacle à l’utilisation du Nafion comme matériau de détection de l’humidité. Un nouveau champ de recherche est le développement de composites de Nafion dopés aux fullérides (fullerènes, nanotubes de carbone et leurs dérivés). Les auteurs ont préparé les composites de fullerènes carbonylés à Nafion et étudié la conductivité protonique des films obtenus par spectroscopie d ‘impédance. La dépendance relative de l ‘humidité de la conductivité protonique des composites Nafion – С60 [(C (COOH) 2] est présentée sur la figure ci dessous. L’influence la plus significative de la concentration en dopant sur la conductivité des films composites de Nafion a été observée. 2] 3 dérivé (figure 10). Le composite de Nafion contenant 1,7 % en poids. % de С60 [(C(COOH) 2démontre une conductivité maximale des protons; à HR = 32%, il est environ 30 fois plus élevé que la conductivité du Nafion non modifié. Il convient de noter que les mécanismes d’amélioration de la conductivité protonique des matériaux composites obtenus ne sont pas toujours clairs. L’augmentation de la conductivité protonique des composites de fullerènes Nafion-carbonylés est probablement liée à l’hydrophilie des dopants qui aide à retenir l’eau supplémentaire dans la matrice de Nafion nécessaire à la migration des protons. 5. Application de fullerènes carbonylés en agriculture Les auteurs de [56] ont analysé l’application prospective de fullerènes carbonylés en agriculture. L’estimation de l’activité biologique de С60 [(C (COOH) 23  et С70 [(C (COOH) 2 comprenait la détermination de gammes de concentrations avec des effets positifs, neutres et inhibiteurs sur la germination des graines ainsi que sur la croissance des racines et germes dans les 7 jours après le trempage des graines. Cette enquête a été menée conformément aux règles de l’International Seed Testing Association (ISTA) et aux méthodes généralement acceptées. Les graines de cresson de variété «Ajur» (Lepidium sativum L.) (150 grains) ont été placées dans les 3 boîtes de Petrie (50 grains par boîte) avec des solutions aqueuses de dérivés C60-Hyp (les échantillons témoins ont été cultivés dans de l’eau pure). Après 3 jours, les auteurs déterminent l’énergie de germination des graines et après 7 jours, calculent la capacité germinative des graines et effectuent des mesures sur la longueur des racines et des germes. Le traitement des graines de cresson par des solutions aqueuses de С60 [(C (COOH) 2 et С70 [(C (COOH) 2 a conduit aux effets suivants (voir Tableaux 5 et 6): (i) dans l’intervalle de concentration 0,01- 50 mg l-1 les auteurs ont déterminé l’influence positive des fullerènes carbonylés sur la croissance des plantes au cours des premiers stades de l’ontogenèse; (ii) dans l’intervalle de concentrations allant jusqu’à 0,01 mg l-1, les auteurs n’ont détecté aucun effet notable de С60 [(C (COOH) 23  et С70 [(C (COOH) 2 sur la croissance des plantes; (iii) le traitement des plantes par des solutions de fullerène carboxylé dans la région de concentration de 50 à 100 mg / l conduit à une diminution de la longueur des racines. Dans le même temps, le plus grand effet positif sur la croissance des plantules de graines a été observé à des concentrations de С60 [(C (COOH) 2 et С70 [(C (COOH) 23   dans des solutions d’eau égales à 0,1 et 0,01 · l-1 en conséquence. L’activité biologique établie des dérivés de fullerène carbonylés et leur impact positif sur la croissance des plantes aux stades précoces suggèrent que cette influence peut être maintenue aux stades ultérieurs du développement de la plante.

Tableau 5: Effet du dérivé C60 [(C (COOH) 2 sur les caractéristiques morphologiques et physiologiques des graines de la variété de cresson Azur

Tableau 6: Effet du dérivé C70 [(C (COOH) 2 sur les caractéristiques morphologiques et physiologiques des graines de la variété de cresson Azur

Les fullerènes carbonylés en biologie et en médecine

Le problème de l’étude de l’activité biologique des fullerènes dans leur ensemble, et en particulier du C60, a toujours été associé au problème de la solubilité. Ce n’est pas une coïncidence si l’écrasante majorité des dérivés de fullerène biologiquement actifs connus sont acides, bien qu’il y ait naturellement des représentants d’autres types de composés organiques. Les deux premiers fullerènes « biologiquement actifs » représentaient, au sens large, des « carboxyfullerènes », c’est-à-dire des acides carboxyliques contenant un résidu du noyau fullerène dans une molécule: composé I, agent photodynamique provoquant le clivage de l’ADN et ayant un effet cytotoxique, et le composé II, l’inhibiteur stérique de la protéase du virus du SIDA. La littérature de ces dernières années fournit de nombreux exemples, en particulier quand seule la preuve de la structure, la seule confirmation de la structure des composés obtenus, est la méthode de synthèse.

Par exemple, les dérivés de fullerène C60 monofonctionnalisés hydrosolubles avec des acides aminés obtenus par réaction directe avec des acides aminés en milieu alcalin ont été décrits à plusieurs reprises, mais sans description sérieuse de la structure. Cependant, il est bien connu que les monoadduits contenant des fullerènes contenant au mieux deux groupes ioniques ne sont pas solubles dans l’eau. Pour obtenir une solubilité dans l’eau suffisante sans l’aide d’un surfactant ou d’un co-solvant, il faut au moins trois charges sur les additifs. La détermination de la structure par la méthode de synthèse est erronée car elle ne prend pas en compte les effets secondaires possibles, par ex. la possibilité de la formation de fullerénols dans un milieu alcalin dans le cas de la préparation des dérivés d’acides aminés mentionnée ci-dessus. Dans le cas des fullerènes eux-mêmes, le facteur de complication est l’impossibilité (à l’heure actuelle) de la séparation du mélange réactionnel et le dégagement des composés individuels, et, par conséquent, il n’y a pas de contrôle fiable de la reproductibilité de la synthèse. L. Dugan, qui a étudié l’effet des fullerénols sur le SNC, a écrit à ce sujet dans un article récent: «Nous avons récemment rapporté des effets neuroprotecteurs prometteurs de dérivés polyhydroxylés antioxydants de C60 sur des neurones corticaux en culture. Cependant, d’autres tests ont révélé une variabilité considérable entre les lots de solubilité dans l’eau et les effets biologiques, reflétant probablement des différences incontrôlées dans le nombre et l’emplacement des groupements hydroxyle et hémicétal aboutissant à la coquille C60. Pour affiner cette stratégie, nous nous sommes tournés vers les dérivés de l’acide malonique de C60,  [(C (COOH) 23, synthétisés et purifiés comme deux spécifiques régioisomères avec symétrie C3 et D3 et démontré qu’ils sont des antioxydants neuroprotecteurs efficaces in vitro et in vivo  » Dans ce sens, la réaction de Bingel qui est la réaction d’addition des résidus d’acide malonique au noyau de fullerène est plus spécifique, conduisant à un nombre limité de produits bien caractérisés. Non moins significatif est le fait que pendant la réaction de Bingel, les additifs de taille relativement petite sont introduits dans le noyau. Ainsi, il donne la possibilité d’estimer la contribution du noyau dans la manifestation de n’importe quelle propriété, et non un nuage d’addenda, ce qui bloque presque l’accès au noyau. Cependant, dans le cas de produits préparés par réaction de Bingel, tout n’est pas toujours clair.

A l’effort, l’efficacité des photosensibilisateurs basés sur divers dérivés du malonate fullerène (fullerènes modifiés par l’acide dimalonique (DFs), fullerènes modifiés par l’acide trimalonique (TFs) et fullerènes modifiés par l’acide quadrimalonique (QF)), ainsi que différentes tailles de cage (C60 et C70) a été estimée. Les auteurs ont conclu que le fullerène C70 est plus efficace en tant que photosensibilisateur que le C60, et que l’efficacité de l’action dépend fortement de la modification du noyau. Cependant, il n’y a pas de détails sur la structure des composés étudiés – en particulier, la composition régioisomérique – dans cet ouvrage et dans les travaux cités . En outre, dans le dernier travail QFs est décrit comme C70 [(C (COOH) 2] 4-8. Les leaders implicites dans les études « carboxyfullerènes » sont deux dérivés isomères tris des dérivés fullerène C60-t, t, t- et e, e, e-trismalonate qui sont respectivement D3 et C3. Dans l’isomère D3, les substituants sont situés le long de l’équateur du noyau, tandis que dans l’isomère C3, les substituants sont situés sur la même hémisphère. Ces distinctions dans la position des substituants sur la surface du noyau de fullerène conduisent à des différences significatives dans leurs propriétés. L’isomère D3 n’a pas de moment dipolaire et c’est un composé hydrophile, tandis que l’isomère C3 a un moment dipolaire et c’est un composé amphipathique (c’est-à-dire qu’il contient des régions hydrophiles et lipophiles).

Une grande lipophilie de l’isomère C3 par rapport à l’isomère D3 est montrée dans l’interaction avec la bicouche lipidique artificielle. L’avantage essentiel de ces composés pour la biologie est le nombre relativement faible de substituants, leur taille et l’absence d’ambiguïté des structures stériques. D’une part, ils conservent toutes les principales propriétés biologiques du fullerène vierge. D’autre part, il permet de mesurer l’impact du noyau de fullerène lui-même sur l’activité biologique, comme mentionné ci-dessus . C’est peut-être pourquoi les triscarboxyfullerènes C3 et D3 ont été proposés comme sondes pharmacologiques pour déterminer les mécanismes et les détails du mécanisme de divers effets biologiques . Comme déjà dit, au milieu des années 90, les études approfondies des propriétés biologiques des « carboxyfullerènes » ont commencé. En première approximation, on peut dire que tous les principaux effets des isomères C3 et D3 ont été établis dans ce travail, et tous les travaux ultérieurs ont seulement décrit ou clarifié cette étude. Des études par résonance paramagnétique électronique (EPS) ont montré que les isomères C3 et D3 en solution sont des extincteurs efficaces du radical hydroxyle ОН • et du radical anion superoxyde О2 – •. Dans des expériences in vitro, ces isomères empêchent la mort neuronale induite par les agonistes des récepteurs N-méthylD-aspartate (NMDA) et α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique (AMPA) [l’authenticité de ce modèle est en raison du fait que dans les conditions de mort neuronale les principaux facteurs dommageables sont différentes espèces réactives de l’oxygène (ROS) et l’oxyde nitrique provoquée par l’hyperstimulation des récepteurs du glutamate]. Ainsi, l’isomère C3 semble être comparable en termes d’efficacité avec des composés tels que les antagonistes des récepteurs NMDA, mais sans aucune manifestation des propriétés antagonistes du NMDA. Il a également réduit la mort neuronale due à l’apoptose causée par les peptides β-amyloïdes. En 2000, il a été montré que les « carboxyfullerènes » comme inhibiteur de radicaux libres peuvent favoriser l’inhibition de l’apoptose de diverses cellules telles que neuronales , hépatomes , cellules épithéliales et cellules mononucléaires du sang périphérique humain. (PBMC).

L’apoptose des cellules se fait par deux mécanismes principaux: la voie extrinsèque (voie du récepteur de la mort) et la voie intrinsèque (voie mitochondriale). Il est bien connu que les nanomatériaux à base de dérivés de fullerène hydrosolubles sont de puissants antioxydants et peuvent empêcher la surproduction de ROS dans les mitochondries. Contrairement aux autres antioxydants (N-acétyl-L-cystéine et acide ascorbique), les Triscarboxyfullerènes C3 et D3 ont montré un effet anti-apoptotique sur la culture des cellules Hep3B sur le fond du facteur de croissance transformant-β (TGF-β), alors que l’activité corrélé à la capacité d’éliminer les ROS générés par TGF-β. Entre les deux régioisomères, C3 avait un effet protecteur plus puissant. Il a été démontré que les « carboxyfullerènes » C3 et D3 peuvent interagir avec La bicouche lipidique artificielle, mais dans le cas de C3, cette interaction est plus prononcée que dans le cas de l’isomère D3 . Il a également été montré que l’un des dérivés malonate du fullerène C60, à savoir le trans-2 C60 (C (COOH) 2) 2 , stabilise les lysosomes et inhibe ainsi l’apoptose induite par le facteur de nécrose tumorale. Les agrégats nanométriques du dérivé de fullerène endocytés dans les cellules et enrichis dans les lysosomes. Au cours de l’internationalisation de trans-2 C60 (C (COOH) 2) 2, l’expression de la protéine Hsp 70 est fortement régulée, ce qui favorise la survie des cellules en inhibant la perméabilité des membranes lysosomales. En outre, l’environnement acide dans les lysosomes a un effet prononcé mais temporaire sur la distribution de la taille des particules jusqu’à la dispersion de C60 (C (COOH) 2) 2 pour les molécules individuelles. Ainsi, les nanoparticules de type C60 (C (COOH) 2) 2 inhibent l’apoptose des cellules en stabilisant les membranes des lysosomes par des mécanismes directs et indirects, les mêmes résultats suggèrent que les nanoparticules de fullerène ne devraient pas être considérées comme de simples antioxydants. rôle dans le développement des effets biologiques. Dans le développement de l’effet toxique de l’acrylamide sur les cellules de neuroblastome humain (SH-SY5Y), l’apoptose dépendante de la caspase joue un rôle important En même temps, on sait que les carboxyfullerènes protègent les cellules nerveuses de divers processus pathologiques incluant l’apoptose. Par conséquent, la capacité des « carboxyfullerènes » à supprimer la cytotoxicité de l’acrylamide a été étudiée. Il a été trouvé que C3 abaissait la fuite de lactate déshydrogénase et augmentait la viabilité cellulaire dans les cellules SH-SY5Y exposées à l’acrylamide.

Il a également été montré que la cytotoxicité de l’acrylamide, y compris les processus d’apoptose, est étroitement liée au taux de glutathion dans les cellules SH-SY5Y et que le « carboxyfullerène » supprime la toxicité en augmentant le taux de glutathion. L’action de C3 est sélective puisque différents polyacides sans résidus de fullerène [acide malonique, bis (carboxyméthyl) trithiocarbonate, 1,1-cyclopropandicarbonate] ou fullerène hydroxylé С60 (ОН) 24 n’ont pas d’effets similaires. Cependant, certaines études ont démontré que la principale contribution à la manifestation des propriétés biologiques est le degré d’agrégation des particules, mais pas la fonctionnalisation de la surface. Études sur l’influence de différents dérivés du fullerène C60 {à savoir le complexe de C60 avec la cyclodextrine, l’hexa-adduit C60 [C (CO2H) 2] 6 avec symétrie Th et le tris-adduit C60 [C (CO2H) 2] 3 avec symétrie C3 } sur le stress oxydatif intracellulaire, la nécrose et l’apoptose dans les monocytes des cellules humaines THP1 ont montré que la présence de groupes carboxyle est un facteur qui réduit le degré d’induction de l’apoptose, alors que la fonction redox a un effet significatif. Ces données et d’autres permettent aux auteurs de conclure que les propriétés physico-chimiques des dérivés du fullerène influencent significativement les manifestations des propriétés biologiques. Ces découvertes sont importantes car on a longtemps pensé que le e-tris-malonate C3 (IV) en solution aqueuse existe sous la forme de molécules individuelles. Cependant, en réalité ce n’est pas vrai. La capacité des molécules C3 à s’agréger en fonction de la concentration, de la température et du pH a été étudiée par diffusion dynamique de la lumière. On a trouvé que dans des conditions physiologiques, C3 forme des agrégats polydispersés dont la taille ne varie pas significativement avec les changements de concentration ou de température, mais tend à augmenter à un pH bas. Les données de microscopie électronique montrent que ces molécules forment des amas sphériques et ellipsoïdaux dispersés de manière homogène de nature cristalline avec une taille de 40-80 nm qui contiennent de ~ 6 • 104 à ~ 5 • 105 molécules С3.

Fig. 11. Schéma des effets biologiques et des applications possibles des fullerènes carbonylés en médecine.

Les résultats obtenus démontrent que dans les cellules l’action neuroprotectrice de C3 était déterminé par ces agrégats au lieu des molécules individuelles. Auparavant, on pensait que C3 montre les propriétés de l’absorbeur de radicaux dans les rapports stoechiométriques. Cependant, les données que C3 agit comme superoxyde dismutase suggèrent qu’il est probablement inclus dans la réaction comme un catalyseur, plutôt que comme un réactif. Dans ce scénario, l’anion superoxyde est converti catalytiquement en oxygène et en peroxyde d’hydrogène par des agrégats cristallins fonctionnant peut-être par un mécanisme de concert. Sur le modèle de l’ischémie cérébrale causée par l’occlusion de l’artère centrale, il est montré que C3 a un effet neuroprotecteur, puisque à la dose de 40 mg / kg, les lésions cérébrales des souris ont été réduites de 75%. L’effet observé dépend de la dose et du temps, mais une inhibition significative apparaît 6 h après l’occlusion. Avec l’utilisation d’anticorps, il a été montré que des « carboxyfullerènes » sont observés sur les neurones et le ventricule dans l’hémisphère homolatéral des souris traitées au carboxyfullerène.

Les triscarboxyfullerènes C3 et D3 sont capables de prévenir à la fois la dégénérescence induite par la MPP (+) (1-méthyl-4-phénylpyridine) et la 6-hydroxydopamine des neurones dopaminergiques mésencéphaliques. Des expériences sur des primates montrent que C3 est un composé prometteur pour le développement de médicaments contre la maladie de Parkinson. Dans le même temps, il a été indiqué que l’introduction de ce composé ne montre pas d’effets toxiques pendant 2 mois. Les différences des structures des isomères C3 et D3 conduisent à des différences claires et nettes dans leur interaction avec les membranes. Ceci s’applique principalement aux actions neuroprotectrices et aux effets sur les cultures tissulaires. La comparaison des activités des isomères a montré que dans la culture cellulaire, le C3 est plus actif, ce qui est probablement dû au fait que la nature amphiphile lui permet de pénétrer facilement dans les membranes biologiques. Ceci est clairement vu en comparant leur action antivirale. L’isomère C3 à une concentration de 10 uM inhibe le virus Dengue-2 sous illumination, c’est-à-dire par un mécanisme photochimique, comprenant la formation d’oxygène singulet ou d’autres ROS. Cependant, son activité antivirale peut également se produire par d’autres mécanismes: à la concentration de 40 μM, elle supprime presque complètement la réplication virale même dans l’obscurité totale. Les auteurs ont suggéré que l’inactivation du virus Dengue-2 par un mécanisme indépendant de la lumière est le résultat de la suppression du stade d’absorption du virus en raison de l’interaction hydrophobe avec l’enveloppe lipidique C3 du virus. Le test de cette hypothèse a été réalisé dans une étude comparative de l’activité antivirale des deux isomères C3 et D3 contre divers virus. Il a été constaté que l’isomère lipophile C3 dosé inhibe plus la réplication du virus dans l’obscurité et est significativement plus actif que l’isomère D3. L’inhibition de la replication de virus avantageusement enveloppés par l’isomère C3 indique que le mécanisme de son action antivirale, indépendant de la lumière, est lié à son effet sur la membrane. Au cours de l’étude de l’influence de ce composé sur les virus Dengue-2 enveloppés, le virus de l’encéphalite japonaise (JEV) et deux virus non entérovés (entérovirus 71 (EV71) et virus coxsackie B3), C3 inhibe efficacement les deux types de virus enveloppés. pas actif contre les espèces non développées, ce qui confirme la conclusion que le fullerène doit être mis en contact avec son enveloppe lipidique pour l’inactivation virale [84]. Un autre exemple de l’influence de la lipophilie différente des fullerènes C3 et D3 peut être trouvé dans la Réf. La comparaison de leurs effets sur la peroxydation lipidique dans les liposomes a montré que l’isomère C3 réagit plus efficacement avec les radicaux hydroxyles que D3. La cause des différences observées au cours du test dans le système liposome est l’interaction différente de ces composés avec la bicouche lipidique. Puisque l’isomère C3 est plus lipophile que D3, il pénètre mieux dans la bicouche lipidique.

L’isomère C3 apparaît plus proche des sites de formation des radicaux et, naturellement, mieux les trempe. Ceci est confirmé également par le fait que, lorsqu’on évalue l’action protectrice des composés d’essai sur le modèle utilisant des liposomes, le C60 lipophile présente une action plus prononcée comme radical anti-hydroxyle et radical anion superoxyde que la vitamine E. Carboxyfullerene peut être utilisé non seulement comme substances biologiquement actives, mais aussi comme base pour la synthèse de nouveaux composés hautement actifs. Par exemple, un conjugué covalent de fullerène et doxorubicine C60-Dox V a été obtenu par dérivé malonylé et hybride adamant-oligoetilenglikol-fullerène VI. En relation avec les questions discutées, il est intéressant de comparer les effets de deux dérivés du fullerène tels que C3 et monoadduct dendrimère VII. Selon les auteurs, la différence de structure de ces composés conduit à de grandes différences dans leur interaction avec les membranes. En résultat, dans des conditions normales, seul le dendrimère VII inhibait nettement la croissance cellulaire, c’est-à-dire qu’il avait une cytotoxicité directe. Cependant, photocytotox déterminé par ces agrégats au lieu des molécules individuelles.

Auparavant, on pensait que C3 montre les propriétés de l’absorbeur de radicaux dans les rapports stoechiométriques. Cependant, les données que C3 agit comme superoxyde dismutase suggèrent qu’il est probablement inclus dans la réaction comme un catalyseur, plutôt que comme un réactif [80]. Dans ce scénario, l’anion superoxyde est converti catalytiquement en oxygène et en peroxyde d’hydrogène par des agrégats cristallins fonctionnant peut-être par un mécanisme de concert. Sur le modèle de l’ischémie cérébrale causée par l’occlusion de l’artère centrale, il est montré que C3 a un effet neuroprotecteur, puisque à la dose de 40 mg / kg, les lésions cérébrales des souris ont été réduites de 75%. L’effet observé dépend de la dose et du temps, mais une inhibition significative apparaît 6 h après l’occlusion. Avec l’utilisation d’anticorps, il a été montré que des « carboxyfullerènes » sont observés sur les neurones et le ventricule dans l’hémisphère homolatéral des souris traitées au carboxyfullerène [81]. Les triscarboxyfullerènes C3 et D3 sont capables de prévenir à la fois la dégénérescence induite par la MPP (+) (1-méthyl-4-phénylpyridine) et la 6-hydroxydopamine des neurones dopaminergiques mésencéphaliques [82]. Des expériences sur des primates montrent que C3 est un composé prometteur pour le développement de médicaments contre la maladie de Parkinson. Dans le même temps, il a été indiqué que l’introduction de ce composé ne montre pas d’effets toxiques pendant 2 mois. Les différences des structures des isomères C3 et D3 conduisent à des différences claires et nettes dans leur interaction avec les membranes. Ceci s’applique principalement aux actions neuroprotectrices et aux effets sur les cultures tissulaires. La comparaison des activités des isomères a montré que dans la culture cellulaire, le C3 est plus actif, ce qui est probablement dû au fait que la nature amphiphile lui permet de pénétrer facilement dans les membranes biologiques. Ceci est clairement vu en comparant leur action antivirale. L’isomère C3 à une concentration de 10 uM inhibe le virus Dengue-2 sous illumination, c’est-à-dire par un mécanisme photochimique, comprenant la formation d’oxygène singulet ou d’autres ROS. Cependant, son activité antivirale peut également se produire par d’autres mécanismes: à la concentration de 40 μM, elle supprime presque complètement la réplication virale même dans l’obscurité totale. Les auteurs ont suggéré que l’inactivation du virus Dengue-2 par un mécanisme indépendant de la lumière est le résultat de la suppression du stade d’absorption du virus en raison de l’interaction hydrophobe avec l’enveloppe lipidique C3 du virus. Le test de cette hypothèse a été réalisé dans une étude comparative de l’activité antivirale des deux isomères C3 et D3 contre divers virus. Il a été constaté que l’isomère lipophile C3 dosé inhibe plus la réplication du virus dans l’obscurité et est significativement plus actif que l’isomère D3 [27]. L’inhibition de la replication de virus avantageusement enveloppés par l’isomère C3 indique que le mécanisme de son action antivirale, indépendant de la lumière, est lié à son effet sur la membrane. Au cours de l’étude de l’influence de ce composé sur les virus Dengue-2 enveloppés, le virus de l’encéphalite japonaise (JEV) et deux virus non entérovés (entérovirus 71 (EV71) et virus coxsackie B3), C3 inhibe efficacement les deux types de virus enveloppés. pas actif contre les espèces non développées, ce qui confirme la conclusion que le fullerène doit être mis en contact avec son enveloppe lipidique pour l’inactivation virale. Un autre exemple de l’influence de la lipophilie différente des fullerènes C3 et D3 peut être trouvé dans la Réf. La comparaison de leurs effets sur la peroxydation lipidique dans les liposomes a montré que l’isomère C3 réagit plus efficacement avec les radicaux hydroxyles que D3. La cause des différences observées au cours du test dans le système liposome est l’interaction différente de ces composés avec la bicouche lipidique. Puisque l’isomère C3 est plus lipophile que D3, il pénètre mieux dans la bicouche lipidique. L’isomère C3 apparaît plus proche des sites de formation des radicaux et, naturellement, mieux les trempe. Ceci est confirmé également par le fait que, lorsqu’on évalue l’action protectrice des composés d’essai sur le modèle utilisant des liposomes, le C60 lipophile présente une action plus prononcée comme radical anti-hydroxyle et radical anion superoxyde que la vitamine E. Carboxyfullerene peut être utilisé non seulement comme substances biologiquement actives, mais aussi comme base pour la synthèse de nouveaux composés hautement actifs. Par exemple, un conjugué covalent de fullerène et doxorubicine C60-Dox V a été obtenu par dérivé malonylé et hybride adamant-oligoetilenglikol-fullerène VI [19,85]. En relation avec les questions discutées, il est intéressant de comparer les effets de deux dérivés du fullerène tels que C3 et monoadduct dendrimère VII. Selon les auteurs, la différence de structure de ces composés conduit à de grandes différences dans leur interaction avec les membranes.

En résultat, dans des conditions normales, seul le dendrimère VII inhibait nettement la croissance cellulaire, c’est-à-dire qu’il avait une cytotoxicité directe. Cependant, photocytotox qui manquent de MnSod, mais C3 a contribué à une plus grande survie chez les femelles. Il a été démontré que l’administration chronique de C3, en traitement anti-oxydant chez la souris, à la dose de 10 mg / kg sur plusieurs mois, améliore leurs capacités cognitives. Carboxyfullerene C3, comme montré précédemment, a des propriétés neuroprotectrices. C3 en tant que superoxyde dismutase mimétique est capable de bloquer l’augmentation persistante de la concentration de superoxyde dans le cerveau des souris induite par la kétamine. Dans le travail [101], la corrélation de la structure avec l’activité SOD-mimétique de six dérivés de fullerène (C60) avec un nombre et une localisation différents des groupes carboxyle a été étudiée. Ces composés forment deux séries. Dans la première série, il y a une augmentation du nombre de groupes carboxyle de trois à six: XV (C3lite) <XIV (bis) <XVI (P2) <IV (C3). Dans la deuxième série, il existe un arrangement différent d’un nombre fixe de groupes carboxyle (à savoir six) sur la surface du noyau de fullerène: IV (C3), XVII (E) et III (D3). La neurotoxicité NMDA, qui comprend la formation de superoxyde intracellulaire, a été choisie comme modèle de base pour l’étude de la relation de structure-réactivité entre la réactivité avec la protection des superoxydes et des neurones. Une bonne corrélation entre la neuroprotection et la capacité de ces composés à interagir avec le radical superoxyde a été trouvée. Par simulation informatique, il a été montré que la réactivité vis-à-vis du superoxyde est sensible aux changements des moments dipolaires, qui sont déterminés non seulement par le nombre de groupes carboxyle, mais aussi par la distribution sur le noyau fullerène. Ces données indiquent qu’en évaluant la capacité des composés susmentionnés à interagir avec le radical superoxyde, leur neuroprotection peut être prédite . A l’effort , il a été montré que le représentant «individuel» des dérivés du malonate С60С (СООН) 2 est également capable d’agir comme un piégeur du radical anion superoxyde. L’étude de la capacité des différents dérivés du fullerène à protéger les cellules de l’action de H2O2, stabiliser le potentiel de la membrane mitochondriale et réduire le niveau de formation des ROS intracellulaires a permis la séquence d’activités suivante: Gd @ C82 (OH) 22 ≥ C60 ( OH) 22> C60 (C (COOH) 2) 2. Selon les auteurs, ces données indiquent que les propriétés chimiques (structure de surface, affinité électronique) et physiques (en particulier, le degré d’agrégation) affectent l’activité biologique des fullerènes fonctionnalisés. Avec les « carboxyfullerènes » C60, les « carboxyfullerènes » C70 sont également décrits. L’un de ceux-ci, C70 (C (COOH) 2) 2-4, est préparé en faisant réagir du C70 avec du malonate de diéthyle en présence de 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undéc-7-ène dans un rapport de 1: 1. : 3 suivie de l’hydrolyse des groupes ester. Selon les données de spectres de masse MALDI-TOF, le produit obtenu contient 4 à 8 groupes ester par résidu de fullerène. En milieu de culture, ce « carboxyfullerène » a un potentiel négatif et a tendance à former des agrégats de 100-200 nm. Adsorption de ce « carboxyfullerène » par Nicotiana tobacum L. cv.

Les parois cellulaires lumineuses jaunes ont conduit à la destruction des parois cellulaires et des membranes et ont causé l’inhibition de la croissance. Basé sur des données de microscopie confocale à force atomique, les auteurs ont proposé que ces effets sont associés à l’augmentation de résidus de glycosyl dans la paroi cellulaire dépendante du temps et de la dose et s’accompagne d’une augmentation des formes réactives de l’oxygène. Parmi d’autres exemples de l’interaction des fullerènes avec des objets biologiques, il y a une place particulière pour l’interaction des fullerènes avec les protéines, qui peut être soulignée de nombreux effets biologiques. « Carboxyfullerenes » a ouvert la liste des substances, qui peuvent former des complexes avec les protéines. Il existe des preuves directes de la formation de complexes supramoléculaires de protéines et de fullerènes, en particulier le « carboxyfullerène » C3 . De plus, comme l’indique à juste titre la littérature, ce problème est important, car on ne sait presque rien sur la manière dont les protéines peuvent se lier aux molécules de fullerène et sur la nature de ces interactions. Par conséquent, dans ce travail, l’amarrage des deux carboxyfullerène C60 et C3 avec quatre protéines, la protéase du virus VIH, les anticorps spécifiques du fullerène, la sérumalbumine humaine et la sérumalbumine bovine) sont décrits. Il semble que la principale conclusion du travail est la découverte d’un degré élevé de similarité entre les sites de liaison de la protéase du VIH et l’albumine humaine et bovine. Carboxyfullerènes C3 et D3 peuvent trouver une application dans les études liées aux problèmes de lésions neurodégénératives, comme dans la maladie d’Alzheimer. La maladie d’Alzheimer, selon l’hypothèse de la cascade amyloïde, est associée à l’accumulation et à l’oligomérisation du peptide amyloïde Aβ comme stade initial de la maladie d’Alzheimer. Comme montré à maintes reprises, le rôle des fullerènes en soi et des carboxyfullerènes sur le développement et la pathogenèse de la fibrillation amyloïde est raisonnablement perceptible. Récemment plusieurs ap thérapeutiques moléculaires Des approches au traitement de la maladie d’Alzheimer comprenant l’inhibition de la formation du peptide Aß et son oligomérisation ont été envisagées [111, 112]. De plus, la conception de médicaments qui sont capables d’inhiber la neurotoxicité cellulaire (neurotoxicité cellulaire) et de fournir ainsi un effet à la fois prophylactique et thérapeutique dans les maladies neurodégénératives de type Alzheimer est une tâche importante [109]. Ainsi, le stress oxydatif et la toxicité induite par l’amyloïde sont deux processus principaux dans la pathogenèse de la maladie d’Alzheimer et, par conséquent, les principales cibles pour la création d’agents thérapeutiques [112, 113]. Il existe un nombre suffisant d’études bien connues montrant que les fullerènes peuvent être utilisés à cet égard. Il est montré que le tricarboxyfullerène C3 affecte le stress oxydatif et la neurotoxicité, provoque la destruction des fibrilles formées par Аβ42 dans les neurones corticaux en culture et peut bloquer l’apoptose induite par ce peptide [82,114]. Les travaux de groupes de chercheurs de l’Institut de Biophysique Expérimentale et Théorique ont démontré d’autres possibilités d’application du fullerène pour la thérapie amyloïdogénique, par exemple il a été démontré in vitro et in vivo que le nano C60 provoque la destruction des fibrilles formées par le fragment Aβ25-35 [115,116 ] Les radicaux libres d’oxygène sont les intermédiaires les plus importants dans l’ischémie reperfusion. La littérature disponible indique que ces radicaux jouent un rôle important dans le développement des lésions cérébrales [117]. Par conséquent, l’action des piégeurs de radicaux contenant du fullerène dans le tissu cérébral a été évaluée par un modèle expérimental d’ischémie. L’action du fullerène C3 sur les lésions ischémiques provoquées par l’extension de la reperfusion focale est décrite dans la réf. [117]. Bien qu’aucun effet protecteur sur le cortex cérébral après introduction intraveineuse n’ait été trouvé, l’introduction de la C3 dans les ventricules latéraux du cerveau a non seulement réduit les lésions du cortex, mais a également empêché l’augmentation du niveau de peroxydation lipidique. Ces données suggèrent que l’introduction de C3 dans les ventricules latéraux du cerveau peut éliminer les dommages oxydatifs causés par l’ischémie-reperfusion [118]. L’action protectrice de C3, associée à une diminution du stress oxydatif, est démontrée in vitro sur des cellules granulaires cérébelleuses dans Ref. [70]. Dans ce travail, le modèle de la mort neuronale par apoptose à la suite de changements dans K.N. Semenov et al. Progress in Solid State Chemistry 47-48 (2017) 19-36 29 la concentration ionique de K + de 25 à 5 μM a été appliquée. Après avoir réduit la concentration des ions K + la fonction mitochondriale respiratoire ont été violées, une réorganisation de la chromatine et la fragmentation de l’ADN à l’oligonucléosome apoptotique se produit. Tous ces processus étaient inhibés en fonction de la dose par C3, et une réduction significative simultanée de la membrane cytoplasmique et des peroxydes et autres ROS s’est produite. Ceci indique que le mécanisme de l’effet protecteur dans ce modèle de C3 est également lié à ses propriétés antioxydantes. L’effet biologique de l’isomère C3, non associé à la génération de ROS, a été montré dans le travail [71]. Il a été constaté que C3 améliore la résistance des cellules épithéliales à l’apoptose par un mécanisme impliquant son interaction avec les microfilaments du cytosquelette. L’effet combiné de C3, présentant une forte propriété antioxydante dans ce cas, et de l’acide ascorbique a empêché l’effet toxique de la lévodopa (LDopa, L-dihydroxyphénylalanine) sur une culture de chromaffines surrénales [119]. Carboxyfullerene C3 réduit le niveau de stress oxydatif des rats anesthésiés [120]. Parmi les autres propriétés des carboxyfullerènes, il convient de noter la protection des kératinocytes humains contre l’apoptose induite par le rayonnement ultraviolet, un autre mécanisme lié à leurs propriétés antioxydantes [121]. L’acide fullerène C60-monomalonique réduit significativement la relaxation sur l’aorte de lapin induite par l’acétylcholine, et cet effet est éliminé en présence de superoxyde dismutase [122]. Dans le cas du carboxyfullerene C3, un fait étonnant que ses propriétés neuroprotectrices carboxyfullerene C3 dépendent de la voie d’administration a été détecté: potentialisation de l’action neurotoxique de 1- méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) sous administration systémique, et action neuroprotectrice lorsqu’elle est appliquée par voie topique [123]. Dans la série inclue l’acide dimalonate C60 (DMA-C60) (XVIII), l’acide trismalonate C60 (TMA-C60) (XIX) et l’acide tétramalonate C60 (QMAC60) (XX) il a été montré qu’à la concentration de cytotoxicité photoinduite de 40 μM ces composés sur les cellules Hela diminuent avec un nombre croissant de résidus d’acide malonique attachés à la molécule de fullerène. Le DMA-C60 (XVIII) sous irradiation présentait déjà une activité cytotoxique contre les cellules HeLa à une concentration de 32 μM. L’effet augmente avec l’augmentation de la concentration (c’est-à-dire que la dépendance à la dose a été établie). Il a été noté que des dommages cellulaires graves se produisent à la suite de l’impact photo-induit du DMA-C60. En l’absence de lumière, l’effet cytotoxique n’a pas été observé même à la concentration de 60 μM. Cependant, en l’absence d’irradiation, il n’y avait pas d’effets [124]. Trois « carboxyfullerène » peuvent être distribués par la capacité d’inhibition des cellules photoinduites dans l’ordre suivant: DMA-C60 (63%)> TMA-C60 (55%)> QMA-C60 (31%).

Ces données indiquent à nouveau que l’augmentation du nombre de groupes attachés au noyau de fullerène réduit la capacité des composés à agir en tant que photosensibilisateur. Il est largement connu que le fullerène C70 est un sensibilisant plus puissant que le C60 [66,125]. Il s’avère que cela s’applique également à ses dérivés. Dans l’étude de l’efficacité de divers « carboxyfullerènes » hydrosolubles comme photosensibilisateurs, six composés ont été utilisés: dimalonate C60 et C70 [fullerènes modifiés par l’acide dimalonique (DFs)], trismalonate C60 et C70 [acide trimalonique modifié (TFs)], et le tétramalonate C60 et C70 [fullerènes modifiés par l’acide tétramalonique (QF)] [66]. L’évaluation a été réalisée par leur effet photodynamique sur les cellules HeLa. Parmi les six « carboxyfullerènes », le TF 70 était le plus efficace, et l’ordre général de leur capacité à provoquer des dommages photodynamiques était le suivant: TF 70> DF 70> QF 70> TF 60> DF 60> QF 60. Il a été déjà mentionné ci-dessus que, malheureusement, il n’y a pas de données sur les structures détaillées des composés étudiés, en particulier, la composition régioisomeric dans ce travail ou d’autres. L’activité photodynamique de TF 70 était comparable à celle de la protoporphyrine IX (PpIX, sensibilisant classique, largement utilisé comme composé de référence). Pour cette raison, compte tenu du potentiel élevé de ce composé pour la thérapie PDT, le mécanisme de sa phototoxicité a été étudié. Il a été trouvé que le TF 70 s’incorpore sous la forme de petites amas s’accumulant principalement dans les organelles de type endosome dans les cellules HeLa. L’effet PDT élevé du TF 70 observé est probablement lié à l’acidité environnementale dans ces organelles (par exemple, les lysosomes) qui favorise les nanoparticules de désagrégation en formant des agrégats plus petits jusqu’à des molécules individuelles [75]. Avec l’utilisation de ces composés (DF60, TF60, QF60, DF70, TF70 et QF70), une étude des impacts de l’effet structurel sur l’action cytoprotectrice du carboxyfullerène sur les cellules musculaires satellites (cellules C2C12) a été menée [104]. Parmi ces composés, le dérivé tétramalonique du fullerène C70 (QF70) protège efficacement les cellules C2C12 du stress oxydatif induit par H2O2 [104]. Le rendement élevé du fullerène en tant que photosensibilisateur est étroitement lié à la formation d’oxygène singulet qui diminue considérablement avec le degré d’agrégation [126].

Des mesures directes des tailles de particules de trois « carboxyfullerènes C70 » par diffusion dynamique de la lumière à une concentration de 2,5 μM dans le milieu de culture ont montré que TF 70 forme des particules de diamètre hydrodynamique d’environ 52 nm, soit moins que DF 70 et QF 70 Ainsi, il s’avère que l’effet «taille» prononcé pour TF 70 peut favoriser la formation de ROS et accélérer la mort cellulaire induite par la lumière par rapport à DF 70 et QF 70. Ces données, bien sûr, sont très intéressantes. Cependant, leur valeur est réduite par le fait que la structure exacte de ces composés n’est pas connue. En outre, il n’est pas clair si nous traitons des substances individuelles ou avec un mélange de régioisomères dans tous les cas. La capacité des dérivés de fullerène à générer de l’oxygène singulet est déterminée, comme mentionné ci-dessus, non seulement par le type et le nombre de substituants, mais également par la tendance des agrégats à s’agréger. Cependant, l’extrapolation directe de ces données photophysiques à l’activité biologique de ces composés n’est pas toujours valide, car l’activité biologique des fullerènes fonctionnalisés est affectée à la fois par le produit chimique (structure de surface, affinité électronique) et physique (degré d’agrégation ) propriétés [103]. De plus, le problème de l’étude de l’activité biologique des fullerènes, y compris la toxicité relative du fullerène et ses dérivés, est assez compliqué, en raison des difficultés d’interprétation et d’extrapolation des données in vitro aux expériences in vivo [127]. Une application prometteuse des propriétés membranotropes fullerène pour le transfert de diverses substances à travers la membrane est considérée dans les travaux [128,129]. Laissez-nous examiner brièvement la nature du problème. Des peptides et des protéines contenant de l’arginine existent dans une symbiose « fonctionnelle » avec des contre-ions. Dans ce cas, l’énergie d’interaction entre les résidus d’arginine et les contre-ions est néanmoins assez forte et la réaction d’échange se produit entre eux [130]. Il a été suggéré que l’interaction avec les contre-ions et la formation de complexes suffisamment stables pourraient expliquer une partie de la fonction «mystérieuse» des peptides et des protéines riches en arginine (peptides pénétrant les cellules, CPP) dans les membranes. Par exemple, la pénétration des polyarginines (pR) à travers une membrane bicouche peut s’expliquer par des changements répétés de leur solubilité en remplaçant le contre-ion, ce qui leur permet de s’adapter à l’environnement [128,129]. Par conséquent, le RPC est un véhicule pour les ions, dont la pénétration à travers la membrane bicouche peut être ajustée par des anions amphiphiles [128, 129].

Dans le dernier cas, le complexe CPP (pR) avec un anion hydrophile X [pR · (X) m] converti dans le complexe pR (X) m (Y) n à la suite de l’échange de l’anion hydrophile X à Y. amphiphile. Cet échange entraîne une augmentation de la lipophilie globale du complexe, grâce à quoi il peut pénétrer dans la couche lipidique de la membrane bicouche sphérique. En s’approchant de la seconde limite de la bicouche, elle peut libérer la CPP dans l’espace intérieur du liposome, l’anion restant dans une couche lipidique (un mécanisme de transfert est décrit dans la référence [128]). Des anions d’acides carboxyliques, contenant des résidus de coronène, pyrène, calix [4] arène et fullerène, en particulier les composés XXI et XXII, peuvent être utilisés comme ions amphiphiles, pour transporter avec succès des peptides riches en arginine à travers la bicouche lipidique. Cet effet « activant » des contre-ions est observé dans les systèmes modèles vésiculaires et dans les cellules vivantes. Par conséquent, il peut être utilisé pour le transfert à travers la membrane de diverses molécules hydrophobes chargées et non seulement des protéines, mais aussi des oligonucléotides, en particulier, pour le transfert de gènes [131]. K.N. Semenov et al. En utilisant des dérivés de fullerène, un système de délivrance pour le transfert de composés polaires à travers la barrière hémato-encéphalique (BBB) a été conçu [58]. Les études des propriétés des complexes d’adduit acide fullerène C60 à base d’hexaméthonium dans des expériences in vivo ont été réalisées sur deux modèles: « convulsions nicotiniques » et « activité locomotrice ». Dans le premier cas, le complexe a bloqué les crises induites par la nicotine, tandis que dans le second, il a réduit l’activité locomotrice après l’introduction de la nicotine. Ainsi, les données obtenues nous donnent la possibilité de spéculer que la base d’hexaméthonium polaire en tant que complexe avec un dérivé de fullerène acide peut pénétrer dans le SNC. L’utilisation d’adduits de C60 en tant que véhicules pour la délivrance de médicaments et d’agents de contraste nécessite le développement de méthodes pour leur détection dans des systèmes complexes. Par conséquent, l’électrophorèse capillaire (CE) a été développée pour l’analyse de deux nanoparticules, à savoir le carboxyfullerène C3 et le dendrofullerène DF1, dans des solutions standard et du sérum. Ces dérivés fortement solubles du fullerène C60 ont été caractérisés par électrophorèse sur zone capillaire (CZE) en utilisant soit des capillaires de silice fondue nus ou revêtus dynamiquement. Les dosages MEKC et / ou CZE ont ensuite été utilisés pour quantifier les nanoparticules C3 et DF1 dans des échantillons de sérum humain dopés. La quantification des nanoparticules était linéaire de 0 à 500 mg / mL avec des limites de détection allant de 0,5 à 6 mg ml-1 [132]. La distribution de « dicarboxyfullerene » XXI dans une cellule a été étudiée en utilisant des anticorps marqués avec des colorants fluorescents. Ce composé a traversé la membrane cellulaire et est préférentiellement lié à la mitochondrie [31]. Cette localisation intracellulaire des dérivés du fullerène peut expliquer leurs propriétés antioxydantes [33,42], car la production de radicaux libres d’oxygène dans les cellules se produit en raison de la fuite des électrons de la chaîne de transport des électrons des mitochondries [31]. Il faut souligner que dans ce cas nous parlons de « dicarboxyfullerenes » – composés contenant deux groupes carboxyle chargés dans les conditions biologiques. Par conséquent, la distribution de cette substance sur les structures cellulaires peut ne pas correspondre à la distribution du fullerène primitif non modifié, une substance extrêmement lipophile. Dans le travail [64], en utilisant des embryons de poisson-zèbre (Danio rerio) comme une comparaison modèle de l’activité cytoprotectrice, 12 dérivés fullerène C60 hydrosolubles ont été utilisés. Cette série comprend le C3, une série de dendrofullerènes monosubstitués, une série de fullerènes similaires à C3 et deux oxoaminofullerènes. Dans ce travail une autre propriété désagréable du fullerène était indiquée. C’est le fait que le fullerène se dégrade relativement facilement avec la formation de produits toxiques.

La vitesse de dégradation à température ambiante dans la poudre cristalline est d’environ 0,5% par semaine, mais elle est stable à -20 ° C. Dans le DMSO à température ambiante, C3 est complètement détruit en quelques minutes. Dans diverses solutions aqueuses (eau distillée, solution tamponnée, solution de glucose à 5%), le taux de désintégration est d’environ 4% par semaine à température ambiante, mais son abaissement à -20 ° C contribue à la stabilité des solutions. C3 a l’effet protecteur le plus fort sur le modèle de cytotoxicité induite par la gentamicine, mais ce composé était instable dans une solution contenant 10% de DMSO et 0,1 N HCl et dégradé par décarboxylation avec formation de penta (XXIII), tétra- (XXIV) et tris. – (XXV) formes carboxylées, étant in vivo beaucoup plus toxique que le composé parent. (Dans le tableau de l’ouvrage [64], dans chaque cas, un seul stéréoisomère est donné, bien que les auteurs soulignent qu’il existe en réalité un mélange d’isomères.). En ce qui concerne les actions du C3, il a démontré à plusieurs reprises un effet protecteur (stress et mort cellulaire) dans diverses cultures cellulaires et modèles animaux [30,33,70,71,81,119,133-135] De plus, il semble que le C3 puisse pénétrer en quantité significative à travers la barrière hémato-encéphalique et disparaître corps à travers le foie et les reins [64]. Des études de distribution du dérivé Gd @ C60 [C (COOH) 2] 10 in vivo (rats Fischer 344, par voie intraveineuse, 35 mg kg-1) ont montré que ce composé se présente rapidement dans les reins, et son accumulation dans le foie est significativement moins [136]. Dans le même article, il est montré que la propension à l’agrégation de dérivés polyhydroxylés endoédriques gadolinium contenant des fullerènes (« gadofullerene ») Gd @ C60 (OH) x et Gd @ C60 [C (COOH) 2] 10 et les valeurs de relaxation de la les protons en eux dépendent du pH. Cela fait de ces composés les premiers candidats pour les agents de contraste sensibles au pH pour l’étude par résonance magnétique. Des études sur d’autres modèles d’états pathologiques chez les animaux suggèrent que les antioxydants à base de fullerène peuvent être utilisés comme agents neuroprotecteurs et dans d’autres troubles neurodégénératifs, y compris la maladie de Parkinson. Pour résumer tout ce qui précède, il convient de noter que les « carboxyfullerènes » sont des outils très importants pour l’étude des mécanismes détaillés de l’interaction du noyau de fullerène avec des objets biologiques, et surtout avec des membranes biologiques. L’essentiel est le fait qu’ils peuvent être utilisés comme synthons dans la synthèse de nouveaux dérivés de fullerènes.

Conclusion

Le présent artcile systématise les données de la littérature disponibles sur la synthèse, les propriétés physico-chimiques et l’application d’une classe prospective de dérivés hydrosolubles de dérivés fullerènes-carbonylés .

L’analyse d’études modernes sur les fullerénols révèle que ces matériaux nanocarbonés sont au centre de l’attention des scientifiques travaillant dans les domaines de la nanotechnologie et de la nanobiotechnologie. Ce fait est lié à des méthodes relativement simples de synthèse de fullerènes carbonylés ainsi qu’à l’application possible de cette classe de dérivés hydrosolubles de fullerènes en tant que précurseurs pour la création de nanomatériaux plus complexes de différentes valeurs fonctionnelles. Nous proposons que parmi les applications potentielles de ces composés, les plus faisables sont dans les domaines de la biologie et de la médecine, car de petites quantités de nanocarbone conduisent à une réponse biologique significative dans ces domaines. Les applications possibles de fullerènes carbonylés dans la bionanomédecine sont résumées à la figure 11. Le grand nombre de données expérimentales et théoriques présentées fournit une vue d’ensemble complète des fullerènes carbonylés et peut être utile aux spécialistes des nanotechnologies, des nanomatériaux et de la bionanomédecine.




Nanotubes de carbone pour la Nanorobotique

La géométrie bien définie, les propriétés mécaniques exceptionnelles et les caractéristiques électriques extraordinaires des nanotubes de carbone les qualifient pour structurer les circuits nanoélectroniques, les systèmes nanoélectromécaniques et les systèmes nanorobotiques. Des déplacements relatifs entre les coques imbriquées atomiquement lisses dans des nanotubes de carbone multi-couche peuvent être exploités comme mécanismes de mouvement nanométriques robustes pour des applications telles que des roulements, des commutateurs, des oscillateurs gigahertz, des navettes, des mémoires, des seringues et des actionneurs. Les structures creuses des nanotubes de carbone peuvent servir de conteneurs, de conduits, de pipettes et de câbles coaxiaux pour stocker une masse ou une charge, ou pour le transport.

Non seulement les nanotubes peuvent servir de blocs de construction pour des structures, outils, capteurs et actionneurs plus complexes, mais ils peuvent également être utilisés comme composants fondamentaux pour les nanorobots futurs. Nous passons en revue les progrès technologiques sur les nanotubes de carbone liés à la nanorobotique.

La nanorobotique est le domaine émergent de la robotique à l’échelle nanométrique. Il comprend des robots de taille nanométrique, c’est-à-dire des nanorobots (qui n’ont pas encore été réalisés), et de grands robots capables de manipuler des objets ayant des dimensions nanométriques avec une résolution nanométrique, c’est-à-dire des manipulateurs nanorobotiques. Bien que les visionnaires aient prévu un avenir nanorobotique de la fabrication moléculaire et de la nanomédecine, la forme que prendront les nanorobots et les tâches qu’ils vont accomplir ne sont pas claires. Cependant, il est clair que la nanotechnologie progresse vers la construction de structures, d’outils, de capteurs, d’actionneurs et de systèmes de plus de 100 nm qui étendront notre capacité à explorer le monde du nano à partir des perspectives de perception, de connaissance et de manipulation. La réduction de la taille de l’appareil à des dimensions nanométriques présente de nombreuses possibilités fascinantes, comme la manipulation de nano-objets avec des nano-outils, la mesure de masse dans des plages de femtogrammes, la détection de forces à piconewton et l’induction du mouvement gigahertz. Alors que nous comprenons encore peu en ce qui concerne la mise en œuvre de «fonctions avancées» telles que l’intelligence, la réplication et la synthèse mécanochimique atome par atome à l’échelle nanométrique, les premiers développements qui ont fondé le domaine nanorobotique incluent l’invention de nouveaux outils tels que les microscopes à effet tunnel ( STM) et la synthèse de nouveaux nanomatériaux atomiquement bien définis tels que les nanotubes de carbone (NTC).

Tableau 1. Propriétés physiques des NTC

Blocs de construction à base de CNT pour les systèmes nanorobotiques

La géométrie bien définie, les propriétés mécaniques exceptionnelles et les caractéristiques électriques extraordinaires, parmi d’autres propriétés physiques exceptionnelles des CNT  (voir Tableau 1) les qualifient pour des applications potentielles dans les circuits nanoélectroniques, les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS), et les systèmes nanorobotiques. Pour les nanorobotiques, certaines des caractéristiques les plus importantes des nanotubes comprennent leur diamètre nanométrique, leur grand format (10-1000), leur module d’Young, leur excellente élasticité, leur frottement ultramince, leurs excellentes propriétés d’émission de champs, diverses conductivités électriques, conductivité thermique élevée, capacité de transport de courant élevée avec surtout pas de chauffage, sensibilité de la conductance à divers changements physiques ou chimiques, et modification de longueur de liaison induite par la charge. Les NTC peuvent servir dans des systèmes nanorobotiques en tant qu’éléments structurels, outils, capteurs et actionneurs. Comme le montre la figure 1, à partir des nanotubes de carbone cultivés, les nanotubes peuvent être assemblés en structures plus complexes en utilisant des approches ascendantes ou conçues pour réaliser des blocs de construction secondaires en utilisant des approches descendantes.

Fig. 1 Blocs de construction à base de NTC. En partant de (a) NTC cultivés, les nanostructures peuvent être créées par les approches ascendantes de (b-d) assemblage, (e) remplissage, ou (f) les décorer, ou de manière descendante (g -i) Ingénierie de leurs coquilles / bouchons.

Les NTC cultivés peuvent servir directement d’éléments fonctionnels pour les nanodispositifs. Le premier exemple d’un tel dispositif est la sonde à nanotube pour un microscope à force atomique (AFM) – qui a été démontré par Dai et al. pour améliorer la résolution spatiale d’un AFM et protéger la pointe du phénomène de «crash de pointe». Dans ce dispositif, un CNT à parois multiples (MWNT) a été assemblé manuellement sur un cantilever en Si disponible dans le commerce. D’autres développements ont amélioré la technique de construction par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), l’assemblage contrôlé, et le prélèvement d’un tube à partir de nanotubes à paroi unique (SWNT) alignés verticalement à partir de surfaces de substrat planes. Les pinces à nanotubes ont été construites avec deux nanotubes sur une fibre de verre et entraînées par l’interaction électrostatique entre elles. En assemblant des nanotubes de carbone, des structures plus complexes peuvent être construites. Les jonctions intermoléculaires et intramoléculaires à nanotubes sont des éléments de base pour de telles structures. Pour la nanoélectronique, les circuits de nanotubes purs créés par l’interconnexion de nanotubes de différents diamètres et par chiralité peuvent conduire à la prochaine génération de l’électronique.

Les jonctions suspendues peuvent fonctionner comme une mémoire non volatile électromécanique. Les mouvements intercouches entre des coques de carbone individuelles, imbriquées et suspendues par des forces de van der Waals dans un MWNT, fournissent des performances exceptionnelles en nanobarres linéaires et rotatives avec une capacité de retour de position inhérente, et potentiellement en résonateurs / oscillateurs / navettes gigahertz , interrupteurs tubulaires, mémoires, seringues, nano-servomoteurs linéaires avec détection de position intégrée, et éléments rotatifs pour utilisation dans NEMS.

Outre leurs performances nanomécaniques intéressantes, la variation de la résistance des NTC avec le mouvement du noyau télescopique fournit un mécanisme électrique unique pour détecter et contrôler leur fonctionnement. Alors que les prototypes ont prouvé certains des concepts précédents, la capacité de modifier de façon contrôlable la structure de coque fermée de MWNT telle que synthétisée pour former des dispositifs intershell-motion est un défi important pour leur fabricabilité et leur commercialisation. Avec leurs noyaux creux et leurs grands rapports physiques,  les NTC sont des conduits possibles pour des quantités nanométriques de divers matériaux. Une variété de matériaux ont été encapsulés par les NTC, tels que les métaux et leurs composés, l’eau et les fullerènes. Des applications pour des dispositifs tels que les gabarits, les thermomètres et les nanotubes ont été présentées. La possibilité de fournir des matériaux encapsulés à partir de coques de carbone présente un grand intérêt en raison des applications potentielles en tant que sources atomiques pour le nanoprototypage, le nanoassemblage et l’injection. Nanoassemblage de CNTs L’étalement aléatoire, la croissance directe, l’auto-assemblage, l’impression par transfert et l’assemblage diélectrophorétique (DEP) ont été utilisés pour le positionnement de nanotubes ou autres nanostructures sur des électrodes pour la construction de dispositifs électroniques, généralement NEMS, dans un certain type de matrice régulière.

Nous avons pu réaliser un dépôt contrôlé de différentes formes nanométriques de carbone sur des copeaux de Si en utilisant des techniques d’assemblage ascendantes pilotées par DEP. Ce type d’assemblage est compatible avec les techniques traditionnelles de micro-usinage et de nanomachinage, et offre ainsi un outil puissant pour la fabrication par lots de NEMS de nouvelle génération. Plus précisément, nous avons démontré l’aptitude de cette technique à assembler des MWNT, des CNT à double paroi (DWNT), des CNT remplis de Cu et des bobines de CNT (figure 2). Le processus utilisé pour construire le réseau de nanostructures est le suivant.

Tout d’abord, la couche de nanoélectrode inférieure (15 nm Cr / 45 nm Au) est définie sur un substrat de Si, qui est recouvert d’un oxyde isolant à 500 nm. La couche de nanoélectrode est formée en définissant des motifs dans une résine bicouche (poly (méthacrylate de méthyle) / poly (2-acétamidoacrylate de méthyle), ou PMMA / PMAA) en utilisant la lithographie par faisceau d’électrons, suivie d’un dépôt de métal et d’un décollement. Les électrodes ont une largeur de 300 nm et sont séparées par des espaces de 350 nm. Ensuite, des nanomatériaux à base de carbone sont déposés sur les électrodes par couplage ac-dc DEP. Pour cette étape, les nanomatériaux sont suspendus et soniqués dans l’éthanol pour assurer l’homogénéité. La puce est ensuite immergée dans un réservoir contenant la suspension et un champ électrique composite AC-DC est appliqué avec un générateur de fonction haute fréquence.

Après environ 100 s, la puce est retirée du réservoir et rincée dans de l’éthanol propre. Enfin, elle est soufflée à sec avec un pistolet à azote. Ce processus d’assemblage permet de réaliser des structures permettant d’étudier et de caractériser les propriétés électriques et mécaniques de ces nanomatériaux. Plus important encore, la capacité d’assembler des nanomatériaux disparates en utilisant la même technique permettrait leur intégration dans des nanostructures complexes dans la réalisation de NEMS intégré et d’autres nanosystèmes.

La nanomanipulation est une approche prometteuse pour le nanoassemblage complexe. Les techniques clés permettent le contrôle de la position et de l’orientation des blocs de construction avec une résolution nanométrique combinée à leur connexion. L’assemblage nanorobotique permet la construction de structures plus complexes en prototype NEMS. Les jonctions intermoléculaires et intramoléculaires à nanotubes sont des éléments de base pour de tels assemblages. Bien que certains types de jonctions aient été synthétisés avec des méthodes chimiques, rien n’indique pour l’instant qu’une approche basée sur l’auto-assemblage peut fournir des structures plus complexes.

Fig. 2 Approche de nanofabrication hybride pour la réalisation de nanosystèmes intégrés. (a) Conception de nanoarray. (b) nanosystème MWNT. Encarts: micrographie électronique à balayage (MEB) schématique et à faible grossissement. (c) Assemblage direct de nanostructures sophistiquées. (d-f) Divers nanomatériaux tels que les DWNT, les NTC remplis de Cu et les nanocoils.

Dans la figure 3, nous montrons quelques exemples de l’assemblage nanorobotique de jonctions CNT en mettant l’accent sur les méthodes de connexion. Des jonctions CNT ont été créées en utilisant les forces de van der Waals (figure 3a), le dépôt induit par faisceau électronique (EBID) (figure 3b), la liaison par mécanochimie (figure 3c) et le soudage par points à l’intérieur des nanotubes de carbone Fig. 3d). Les jonctions CNT connectées par EBID donnent des jonctions plus fortes que celles connectées par les forces de van der Waals, comme le montrent les Fig. 3a et 3b.

Le développement de l’EBID classique a été limité par le filament d’électrons coûteux utilisé et la faible productivité. Nous avons démontré un système parallèle EBID utilisant des NTC comme émetteurs d’électrons. Pour construire des jonctions plus fortes sans ajouter de matériau supplémentaire, l’assemblage mécanochimique nanochrome est une stratégie importante. Cette approche est basée sur des réactions chimiques en phase solide, ou mécanosynthèse, qui est définie comme une synthèse chimique contrôlée par des systèmes mécaniques fonctionnant avec une précision à l’échelle atomique. La technique permet une sélection directe de la position des sites de réaction3. En assemblant des atomes avec des liaisons pendantes plutôt que des atomes stables, il est plus facile de former des liaisons primaires, ce qui fournit une connexion simple mais forte. La fabrication destructive fournit un moyen de former des liens pendants aux extrémités des tubes cassés. Certaines des liaisons pendantes peuvent alors se lier avec des atomes voisins, mais généralement quelques liaisons resteront réactives. Un nanotube avec des liens pendants à son extrémité se liera plus facilement à un autre pour former des jonctions intramoléculaires. La figure 3c montre une telle jonction.

Fig. 3 Jonctions CNT. (a) CNT connectés par des interactions de van der Waals. (b) CNT rejoints par EBID. (c) NTC liés par une réaction mécanochimique. (d) CNT soudés en utilisant du Cu.

EBID implique des faisceaux d’électrons de haute énergie et a besoin de précurseurs externes pour l’obtention de dépôts conducteurs, ce qui limite ses applications. La liaison mécanochimique est prometteuse, mais elle n’est pas encore mature. Récemment, nous avons développé une technique de soudage nanorobotique par points en utilisant des NTC remplis de Cu pour le soudage de nanotubes. La soudure est encapsulée à l’intérieur des noyaux creux des NTC pendant leur synthèse, donc aucun précurseur externe n’est nécessaire. Un biais de seulement quelques volts peut induire la migration du Cu, ce qui en fait une approche rentable. La figure 3d montre une jonction soudée en utilisant cette technique. La qualité de la soudure est en partie déterminée par la capacité à contrôler le débit massique du tube. Un dépôt de haute précision de 120 ag / s a été réalisé dans notre expérience basée sur l’électromigration. La manipulation nanorobotique en trois dimensions a ouvert une nouvelle voie pour le nanoassemblage. Cependant, la nanomanipulation est toujours réalisée de manière sérielle avec un contrôle restreint, ce qui n’est certainement pas une technique de production à grande échelle. Néanmoins, avec les progrès dans l’exploration de la physique mésoscopique, un meilleur contrôle de la synthèse des matériaux, des actionneurs plus précis, et des outils efficaces de manipulation, nanoassemblage à grande vitesse, parallèle et automatique seront possibles.

Source : Carbon nanotubes for nanorobotics Lixin Dong, ArunkumarSubramanian, Bradley J. Nelson, 2007.




Rayons Atomiques (Données)

Le rayon atomique d’un élément chimique est la distance entre le centre du noyau et la couche la plus externe de l’électron. Puisque la frontière n’est pas une entité physique bien définie, il existe diverses définitions non équivalentes du rayon atomique. Selon la définition, le terme peut s’appliquer seulement aux atomes isolés, ou aussi aux atomes dans la matière condensée , liés de manière covalente dans les molécules , ou dans les états ionisés et excités ; et sa valeur peut être obtenue par des mesures expérimentales ou calculées à partir de modèles théoriques. Sous certaines définitions, la valeur du rayon peut dépendre de l’état et du contexte de l’atome.

Les rayons atomiques varient d’une manière prévisible et explicable à travers le tableau périodique . Par exemple, les rayons diminuent généralement vers la droite le long de chaque période (rangée) de la table, des métaux alcalins aux gaz nobles ; et augmentent pour chaque groupe (colonne). Le rayon augmente brusquement entre le gaz noble à la fin de chaque période et le métal alcalin au début de la période suivante. Ces tendances des rayons atomiques (et de diverses autres propriétés chimiques et physiques des éléments) peuvent être expliquées par la théorie de la couche d’ électrons de l’atome; ils ont fourni des preuves importantes pour le développement et la confirmation de la théorie quantique .

Rayons atomiques

Toutes les mesures données sont en picomètres (pm). Pour des données plus récentes sur les rayons covalents.

numéro atomique symbole prénom empirique † Calculé van der Waals Covalent (liaison simple) Covalent (triple liaison) Métallique
1 H hydrogène 25 53 120 38 pas de données
2 Il hélium 120 31 140 32 pas de données
3 Li lithium 145 167 182 134 pas de données 152
4 Être béryllium 105 112 153 a 90 85 112
5 B bore 85 87 192 a 82 73
6 C carbone 70 67 170 77 60
7 N azote 65 56 155 75 54
8 O oxygène 60 48 152 73 53
9 F fluor 50 42 147 71 53
dix Ne néon 160 38 154 69 pas de données
11 N / a sodium 180 190 227 154 pas de données 186
12 Mg magnésium 150 145 173 130 127 160
13 Al aluminium 125 118 184 a 118 111 143
14 Si silicium 110 111 210 111 102
15 P phosphore 100 98 180 106 94
16 S soufre 100 88 180 102 95
17 Cl chlore 100 79 175 99 93
18 Ar argon 71 71 188 97 96
19 K potassium 220 243 275 196 pas de données 227
20 Californie calcium 180 194 231 a 174 133 197
21 Sc scandium 160 184 211 a 144 114 162 b
22 Ti titane 140 176 pas de données 136 108 147
23 V vanadium 135 171 pas de données 125 106 134 b
24 Cr chrome 140 166 pas de données 127 103 128 b
25 Mn manganèse 140 161 pas de données 139 103 127 b
26 Fe le fer 140 156 pas de données 125 102 126 b
27 Co cobalt 135 152 pas de données 126 96 125 b
28 Ni nickel 135 149 163 121 101 124 b
29 Cu cuivre 135 145 140 138 120 128 b
30 Zn zinc 135 142 139 131 pas de données 134 b
31 Géorgie gallium 130 136 187 126 121 135 c
32 Ge germanium 125 125 211 a 122 114
33 Comme arsenic 115 114 185 119 106
34 Se sélénium 115 103 190 116 107
35 Br brome 115 94 185 114 110
36 Kr krypton pas de données 88 202 110 108
37 Rb rubidium 235 265 303 a 211 pas de données 248
38 Sr strontium 200 219 249 a 192 139 215
39 Y yttrium 180 212 pas de données 162 124 180 b
40 Zr zirconium 155 206 pas de données 148 121 160
41 Nb niobium 145 198 pas de données 137 116 146 b
42 Mo molybdène 145 190 pas de données 145 113 139 b
43 Tc technétium 135 183 pas de données 156 110 136 b
44 Ru ruthénium 130 178 pas de données 126 103 134 b
45 Rh rhodium 135 173 pas de données 135 106 134 b
46 Pd palladium 140 169 163 131 112 137 b
47 Ag argent 160 165 172 153 137 144 b
48 CD cadmium 155 161 158 148 pas de données 151 b
49 Dans indium 155 156 193 144 146 167
50 Sn étain 145 145 217 141 132
51 Sb antimoine 145 133 206 a 138 127
52 Te tellure 140 123 206 135 121
53 je iode 140 115 198 133 125
54 Xe xénon pas de données 108 216 130 122
55 Cs césium 260 298 343 a 225 pas de données 265
56 Ba baryum 215 253 268 a 198 149 222
57 La lanthane 195 pas de données pas de données 169 139 187 b
58 Ce cérium 185 pas de données pas de données pas de données 131 181,8 c
59 Pr praséodyme 185 247 pas de données pas de données 128 182,4 c
60 Nd néodyme 185 206 pas de données pas de données pas de données 181,4 c
61 Pm prométhium 185 205 pas de données pas de données pas de données 183,4 c
62 Sm samarium 185 238 pas de données pas de données pas de données 180,4 c
63 UE europium 185 231 pas de données pas de données pas de données 180,4 c
64 Gd gadolinium 180 233 pas de données pas de données 132 180,4 c
65 Tb terbium 175 225 pas de données pas de données pas de données 177,3 c
66 Dy dysprosium 175 228 pas de données pas de données pas de données 178,1 c
67 Ho holmium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 176,2 c
68 Er erbium 175 226 pas de données pas de données pas de données 176,1 c
69 Tm thulium 175 222 pas de données pas de données pas de données 175,9 c
70 Yb ytterbium 175 222 pas de données pas de données pas de données 176 c
71 Lu lutécium 175 217 pas de données 160 131 173,8 c
72 Hf hafnium 155 208 pas de données 150 122 159
73 Ta tantale 145 200 pas de données 138 119 146 b
74 W tungstène 135 193 pas de données 146 115 139 b
75 rhénium 135 188 pas de données 159 110 137 b
76 Os osmium 130 185 pas de données 128 109 135 b
77 Ir iridium 135 180 pas de données 137 107 135.5 b
78 Pt platine 135 177 175 128 110 138.5 b
79 Au or 135 174 166 144 123 144 b
80 Hg Mercure 150 171 155 149 pas de données 151 b
81 Tl thallium 190 156 196 148 150 170
82 Pb conduire 180 154 202 147 137
83 Bi bismuth 160 143 207 a 146 135
84 Po polonium 190 135 197 a pas de données 129
85 À astatine pas de données pas de données 202 a pas de données 138
86 Rn radon pas de données 120 220 a 145 133
87 Fr francium pas de données pas de données 348 a pas de données pas de données pas de données
88 Ra radium 215 pas de données 283 a pas de données 159 pas de données
89 Ac actinium 195 pas de données pas de données pas de données 140
90 Th thorium 180 pas de données pas de données pas de données 136 179 b
91 Pennsylvanie protactinium 180 pas de données pas de données pas de données 129 163 d
92 U uranium 175 pas de données 186 pas de données 118 156 e
93 Np neptunium 175 pas de données pas de données pas de données 116 155 e
94 Pu plutonium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 159 e
95 Un m l’américium 175 pas de données pas de données pas de données pas de données 173 b
96 Cm curium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 174 b
97 Bk berkelium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 170 b
98 Cf californium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 186 +/- 2 b
99 Es Einsteinium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données 186 +/- 2 b
100 Fm fermium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
101 Maryland mendelevium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
102 Non nobelium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
103 Lr lawrencium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
104 Rf rutherfordium pas de données pas de données pas de données pas de données 131 pas de données
105 Db dubnium pas de données pas de données pas de données pas de données 126 pas de données
106 Sg seaborgium pas de données pas de données pas de données pas de données 121 pas de données
107 Bh bohrium pas de données pas de données pas de données pas de données 119 pas de données
108 Hs hassium pas de données pas de données pas de données pas de données 118 pas de données
109 Mt meitnerium pas de données pas de données pas de données pas de données 113 pas de données
110 Ds darmstadtium pas de données pas de données pas de données pas de données 112 pas de données
111 Rg Roentgenium pas de données pas de données pas de données pas de données 118 pas de données
112 Cn copernicium pas de données pas de données pas de données pas de données 130 pas de données
113 Nh nihonium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
114 Fl flerovium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
115 Mc Moscovium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
116 Lv livermorium pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
117 Ts tennessine pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données
118 Og oganesson pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données pas de données