Rôle des Microorganismes dans l’industrie pharmaceutique

La microbiologie est l’étude des micro-organismes tels que les bactéries, les protozoaires, les champignons et les organismes similaires qui ne peuvent pas être vus à l’œil nu. La nécessité d’étudier ces organismes minuscules a commencé lorsque les scientifiques ont découvert le lien entre les microbes à des maladies spécifiques. Le rôles de la microbiologie dans les avancées de l’industrie pharmaceutique et médicale ont conduit à de grandes découvertes, des vaccins aux appareils. La croissance des industries cosmétiques a également été parallèle aux innovations microbiologiques, qui ont en fait ouvert la voie à l’étude de la microbiologie cosmétique.

Importance.

Par nature, nos cellules luttent contre les microbes qui pénètrent dans notre corps et ceci est fréquemment démontré par la formation de pus et l’inflammation des plaies. Les macrophages jouent un rôle important dans le système immunitaire, car ils sont capables d’ingérer les microbes qui pénètrent dans notre corps par les plaies ouvertes. Cependant, les microbes pourraient s’adapter et subissent des mutations génétiques rapidement, ce qui entraîne des maladies infectieuses opportunistes, telles que le VIH. Au contraire, les microbes peuvent également nous aider de la manière dont les «bonnes bactéries» lactobacilles fonctionnent dans notre système digestif.

Industrie pharmaceutique.

La compréhension des principes de la microbiologie et des mécanismes des cellules humaines permet aux pharmaciens de découvrir des médicaments antimicrobiens qui seraient utilisés contre un nombre croissant de maladies transmissibles. Les pharmaciens et les microbiologistes travaillent ensemble pour s’assurer que les thérapies médicamenteuses ciblent les microbes opportunistes sans nuire à l’hôte humain. Un autre rôle important dans les produits pharmaceutiques est l’utilisation de microbes pour les études médicalement importantes, telles que Bacteriorhodopsin, une protéine de la membrane plasmique de Halobacterium salinarum.

Équipement médical.

La microbiologie joue un rôle important dans les dispositifs médicaux, tels que la fusion par fluorescence, qui sont utilisés pour la détection rapide et précise des pathogènes dans les échantillons de tissus. C’est une technologie pour effectuer des études d’immunofluorescence qui peuvent être appliquées pour trouver des cellules spécifiques dans des systèmes biologiques complexes.

Microbiologie cosmétique.

Selon International Microbiology, la contamination microbienne des produits cosmétiques est très importante pour l’industrie et peut devenir une cause majeure des pertes de produit et des pertes économiques. De plus, la contamination des cosmétiques peut entraîner leur conversion en produits dangereux pour les consommateurs. L’eau et les nutriments présents dans les cosmétiques les rendent sensibles à la croissance microbienne, bien que seulement quelques cas de blessures humaines dues à des cosmétiques contaminés ont été rapportés. Plus souvent, les microorganismes sont la cause d’altérations organoleptiques, telles que des odeurs désagréables, et des changements de viscosité et de couleur.




Nanosciences et Nanotechnologies

La Nanotechnologie est la science, l’ingénierie et la technologie menée à l’échelle nanométrique, qui est d’environ 1 à 100 nanomètres.

Les nanosciences et les nanotechnologies sont définies comme l’étude et l’application d’objets extrêmement petits et qui peuvent être utilisées dans tous les autres domaines scientifiques, tels que la chimie, la biologie, la physique, la science des matériaux et l’ingénierie.

Point de Départ des Nanotechnologies

Les idées et les concepts de la nanoscience et de la nanotechnologie ont commencé par une conférence intitulée « Il y a beaucoup de place au fond» par le physicien Richard Feynman lors d’une réunion de l’American Physical Society à l’Institut californien de technologie (CalTech) le 29 décembre 1959. Le terme nanotechnologie fut utilisé. Dans son discours, Feynman a décrit un processus dans lequel les scientifiques pourraient manipuler et contrôler des atomes et des molécules individuels. Plus d’une décennie plus tard, dans ses explorations de fabrication avec une ultra-précision, le professeur Norio Taniguchi a inventé le terme de nanotechnologie. Ce n’est qu’en 1981, avec le développement du microscope à effet tunnel qui nous a permis «voir» les atomes individuels, la nanotechnologie moderne a commencé.

Figure 1. Image de la reconstruction sur une surface propre d’ or ( 100 ), telle que visualisée en utilisant la microscopie à effet tunnel . Les positions des atomes individuels composant la surface sont visibles.

Concepts fondamentaux de la nanotechnologie

Il est difficile d’imaginer à quel point la nanotechnologie est réduite en termes de dimensions. Un nanomètre est un milliardième de mètre, soit 10 -9 de mètre. Voici quelques exemples illustratifs:

  • Il y a 25 400 000 nanomètres dans un pouce
  • Une feuille de journal fait environ 100 000 nanomètres d’épaisseur
  • À une échelle comparative, si un marbre était un nanomètre, alors un mètre serait la taille de la Terre

Les nanosciences et les nanotechnologies impliquent la capacité de voir et de contrôler des atomes et des molécules individuels. Tout sur Terre est composé d’atomes – la nourriture que nous mangeons, les vêtements que nous portons, les bâtiments et les maisons dans lesquels nous vivons, et aussi nos propres corps.

Mais quelque chose d’aussi petit qu’un atome est impossible à voir à l’œil nu. En fait, il est impossible de voir avec les microscopes généralement utilisés dans les cours de sciences au secondaire. Les microscopes nécessaires pour voir les choses à l’échelle nanométrique ont été inventés relativement récemment, il y a environ 30 ans.

Une fois que les scientifiques ont eu les bons outils, tels que le microscope à effet tunnel (STM) et le microscope à force atomique (AFM), l’ère de la nanotechnologie est née.

Bien que les nanosciences et les nanotechnologies modernes soient relativement récentes, les matériaux à l’échelle nanométrique ont été utilisés pendant des siècles. Des particules d’or et d’argent de taille différente ont créé des couleurs dans les vitraux des églises médiévales il y a des centaines d’années. À l’époque, les artistes ne savaient pas que le processus qu’ils avaient utilisé pour créer ces magnifiques œuvres d’art avait entraîné des changements dans la composition des matériaux avec lesquels ils travaillaient.

Les scientifiques et les ingénieurs d’aujourd’hui trouvent une grande variété de façons de fabriquer délibérément des matériaux à l’échelle nanométrique pour tirer parti de leurs propriétés améliorées telles qu’une plus grande résistance, un poids plus léger, un contrôle accru du spectre lumineux et une plus grande réactivité chimique.

Source : https://www.nano.gov




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.

 




Procédé de Synthèse de diamant à partir du Graphite

Cet article décrit le procédé de Synthèse de micropoudres de diamant par gravure du graphite au micro-ondes
plasma d’hydrogène.

Principe

Les micro-poudres de diamant ont été synthétisées par dépôt chimique en phase vapeur par gravure d’un substrat de graphite dans un plasma micro-onde d’hydrogène, sans ajout d’hydrocarbure (méthane). La température du graphite, variant de 700 à 1000 ° C, s’est révélée avoir un pouvoir affectant significativement la nucléation et la croissance du diamant, le taux de croissance des particules de diamant augmentant de 2,4 à 4 μm / h avec la température. Les poudres de diamant avaient une meilleure qualité cristalline à la température du substrat de 900 ° C. En raison de la faible adhérence du grain déposé sur le substrat, les particules peuvent être collectées facilement et désagrégées mécaniquement. La taille moyenne de 12 μm des particules dispersées cultivées pendant 5 heures a été déterminée à l’aide d’un analyseur granulométrique laser, tandis que la taille maximale des grains estimée par microscopie électronique variait entre 12 et 20 μm. La surface de la particule présentait de nombreuses micropyramides avec des pointes acérées, ce qui pourrait être bénéfique pour les applications abrasives. La diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman ont révélé une pureté et une qualité élevées des poudres de diamant.

Figure. Images SEM à faible grossissement (gauche) et grossissement plus élevé (droite) des poudres de diamant cultivées sur la feuille de graphite exposée au plasma d’hydrogène à 1000 ° C (c), (d)

Description du procédé

Les micropoudres de diamant sont largement utilisées dans de nombreux domaines, allant des machines utilisées dans l’industrie spatiale. Le polissage des céramiques, les alliages durs non ferreux, les matériaux composites sont essentiellement basés sur l’utilisation des poudres de diamant comme superabrasifs. Les méthodes de préparation des poudres de diamant comprennent la synthèse haute pression haute température (HPHT), la déposition chimique en phase vapeur (CVD) et la technique de détonation explosive.

Bien que la méthode HPHT constitue actuellement la principale technologie de production industrielle pour les poudres de diamant, la technique CVD permet le développement de poudres de diamant de haute pureté, des films et de gros cristaux. Dans le procédé CVD, un mélange méthane-hydrogène gazeux est dissocié soit thermiquement soit dans un plasma en radicaux, qui forment du diamant sur une surface de substrat chaude. Avec les exigences croissantes de morphologie et de pureté des poudres de diamant pour le broyage fin et la production de composites superdures, les poudres de diamant CVD ont suscité un grand intérêt en raison de la plus faible densité de défauts dans ce matériau.

Plusieurs groupes ont montré des poudres de diamant à facettes bien préparées avec une source de carbone gazeux. Teng et al.  ont démontré une amélioration significative de la structure du grain de diamant HPHT après le dépôt de diamant du revêtement CVD en utilisant un système CVD à filament chaud (HFCVD), avec l’intention d’éliminer les défauts de surface des particules de diamant. Chung et al. ont rapporté des micropoudres de diamant cultivées par HFCVD. Zhang et al. la poudre de diamant fabriquée avec la morphologie et la taille bien définies dans les mélanges de CH4 / H2 avec un réacteur de HFCVD, où les diamants synthétiques de HPHT ont été utilisés comme graines de diamant. Beaucoup plus rarement un précurseur de carbone à l’état solide est employé dans la croissance de diamant CVD.

Spitsyn et al.  utilisaient systématiquement du graphite exposé à l’hydrogène à haute température, pour produire des hydrocarbures transportés plus loin vers un substrat afin de déposer des films de diamant. Silva et al. ont utilisé une plaque de graphite comme source de carbone pour synthétiser un film de diamant sur un substrat de Si dans un système HFCVD, utilisant des graines de diamant pour augmenter la vitesse de nucléation du diamant et former un film plutôt que des particules isolées. Puisque la nucléation spontanée du diamant est difficile sur tout substrat étranger, la procédure d’ensemencement est obligatoire pour obtenir un film de diamant microcristallin continu.

Shin et al. ont rapporté un taux de croissance élevé dans le système HFCVD dans un gaz sans addition de méthane, en utilisant uniquement un précurseur de carbone graphite gravé par l’hydrogène. D’un autre côté, Li et al. ont étudié la nucléation spontanée du diamant sur un substrat de graphite en utilisant un système HFCVD et un gaz source CH4 – H2. Ils ont trouvé la préférence pour la nucléation des bords de la feuille de graphite, comme cela a été soutenu par une considération théorique. Nous rapportons ici une approche combinée en utilisant une feuille de graphite polycristallin comme source de carbone et le substrat, pour produire des poudres de micro-diamant par CVD plasma micro-ondes (MPCVD) en utilisant l’hydrogène comme seul gaz d’alimentation. Les particules de diamant isolées sont déposées sur le substrat à la suite du graphite gravé par le plasma d’hydrogène. Nous avons étudié l’effet de la température de croissance sur la morphologie et la pureté des poudres de diamant produites.

Le système H2 / graphite pourrait être un moyen rentable et facile de faire pousser du diamant de haute qualité.

Source : Science Direct  Diamond micropowder synthesis via graphite etching in a microwave hydrogen plasma.




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.




Spectroscopie laser ultrarapide

La spectroscopie laser ultrarapide est une technique spectroscopique qui utilise des lasers à impulsions ultracourtes pour l’étude de la dynamique sur des échelles de temps extrêmement courtes (attosecondes à nanosecondes). Différentes méthodes sont utilisées pour examiner la dynamique des porteurs de charge, des atomes et des molécules. De nombreuses procédures différentes ont été développées couvrant différentes échelles de temps et plages d’énergie de photons; certaines méthodes courantes sont énumérées ci-dessous.

Spectroscopie attoseconde-picoseconde

La dynamique sur l’échelle de temps as to fs est en général trop rapide pour être mesurée électroniquement. La plupart des mesures sont effectuées en utilisant une séquence d’impulsions lumineuses ultracourtes pour initier un processus et enregistrer sa dynamique. La largeur des impulsions lumineuses doit être à la même échelle que la dynamique à mesurer.

Sources lumineuses

Laser titane-saphir

Les lasers à saphir Ti sont des lasers accordables qui émettent une lumière rouge et proche de l’infrarouge (700 nm à 1100 nm). Les systèmes laser à saphir Ti utilisent le saphir Ti comme moyen de gain. Les impulsions iront dans une civière où la durée d’impulsion est étirée, puis à un amplificateur de régénération, où l’énergie d’impulsion est amplifiée. Les impulsions de sortie de l’amplificateur de régénération sont en outre envoyées à un amplificateur à plusieurs passes, où les impulsions peuvent être amplifiées pour des énergies encore plus élevées. Les impulsions provenant de l’amplificateur régénéré ou de l’amplificateur multipasse sont envoyées à un compresseur, où la durée de l’impulsion est comprimée.

Laser à colorant

Un laser à colorant est un laser à quatre niveaux qui utilise un colorant organique comme milieu de gain. Pompé par un laser avec une longueur d’onde fixe, en raison de divers types de colorants que vous utilisez, différents lasers à colorant peuvent émettre des faisceaux avec différentes longueurs d’onde. Une conception de laser en anneau est le plus souvent utilisée dans un système laser à colorant. De même, des éléments d’accord, tels qu’un réseau de diffraction ou un prisme, sont généralement incorporés dans la cavité. Ceci permet seulement à la lumière dans une plage de fréquence très étroite de résonner dans la cavité et d’être émise sous forme d’émission laser. La grande plage d’accordabilité, la puissance de sortie élevée et le fonctionnement pulsé ou CW rendent le laser à colorant particulièrement utile dans de nombreuses études physiques et chimiques.

Laser à fibre

Un laser à fibre est généralement généré d’abord à partir d’une diode laser. La diode laser couple alors la lumière dans une fibre où elle sera confinée. Différentes longueurs d’onde peuvent être atteintes avec l’utilisation de fibres dopées. La lumière de pompage provenant de la diode laser va exciter un état dans la fibre dopée qui peut alors chuter en énergie provoquant l’émission d’une longueur d’onde spécifique. Cette longueur d’onde peut être différente de celle de la lumière de pompage et plus utile pour une expérience particulière.

Génération de rayons X

Des impulsions optiques ultra-rapides peuvent être utilisées pour générer des impulsions de rayons X de multiples façons. Une impulsion optique peut exciter une impulsion d’électron via l’effet photoélectrique, et l’accélération à travers un potentiel élevé donne l’énergie cinétique des électrons. Lorsque les électrons atteignent une cible, ils génèrent à la fois les rayons X caractéristiques et le rayonnement de freinage. Une deuxième méthode est via le plasma induit par laser. Lorsque la lumière laser à très haute intensité est incidente sur une cible, elle enlève les électrons de la cible et crée un nuage de plasma chargé négativement. La forte force de Coulomb due au matériau ionisé au centre du nuage accélère rapidement les électrons vers les noyaux restants. Lors de la collision avec les noyaux, Bremsstrahlung et les rayons X d’émission caractéristiques sont émis. Cette méthode de génération de rayons X diffuse des photons dans toutes les directions, mais génère également des impulsions de rayons X picoseconde.

Conversion et caractérisation

Caractérisation d’impulsion

Pour que des mesures spectroscopiques précises puissent être effectuées, plusieurs caractéristiques de l’impulsion laser doivent être connues; La durée de l’impulsion, l’énergie de l’impulsion, la phase spectrale et la forme spectrale font partie de celles-ci. Les informations sur la durée des impulsions peuvent être déterminées par des mesures d’autocorrélation ou par corrélation croisée avec une autre impulsion bien caractérisée. Les méthodes permettant une caractérisation complète des impulsions comprennent le déclenchement optique à résolution de fréquence (FROG) et l’interférométrie à phase spectrale pour la reconstruction directe par champ électrique (SPIDER).

Forme d’impulsion

La mise en forme d’impulsions consiste à modifier les impulsions de la source d’une manière bien définie, y compris la manipulation de l’amplitude, de la phase et de la durée de l’impulsion. Pour amplifier l’intensité de l’impulsion, on applique généralement une amplification par impulsions modulées, qui comprend un étireur d’impulsions, un amplificateur et un compresseur. Cela ne changera pas la durée ou la phase de l’impulsion pendant l’amplification. La compression d’impulsion (raccourcir la durée d’impulsion) est obtenue en gazant d’abord l’impulsion dans un matériau non linéaire et en élargissant le spectre, avec un compresseur suivant pour la compensation de compression. Le compresseur à fibre est généralement utilisé dans ce cas. Les conformateurs d’impulsions se réfèrent généralement à des modulateurs optiques qui appliquent des transformées de Fourier au faisceau laser. En fonction de la propriété de lumière contrôlée, les modulateurs sont appelés modulateurs d’intensité, modulateurs de phase, modulateurs de polarisation, modulateurs de lumière spatiaux. Selon le mécanisme de modulation, les modulateurs optiques sont divisés en modulateurs acoustiques-optiques, en modulateurs électro-optiques, en modulateurs à cristaux liquides, etc. Chacun est dédié à différentes applications.

Génération harmonique élevée

La génération d’harmonique élevée (HHG) est le processus non linéaire où le rayonnement laser intense est converti d’une fréquence fixe en harmoniques élevées de cette fréquence par ionisation et recollision d’un électron. Il a été observé pour la première fois en 1987 par McPherson et al. qui a généré avec succès des émissions harmoniques jusqu’au 17ème ordre à 248 nm dans le gaz néon. HHG est vu en concentrant une impulsion ultra-rapide, de haute intensité, proche IR dans un gaz noble à des intensités de (1013-1014 W / cm2) et il génère des impulsions cohérentes dans le XUV à Soft X-ray (100-1 nm) région du spectre. Il est réalisable à l’échelle du laboratoire (systèmes de table) par opposition aux grandes installations de lasers à électrons libres. La génération d’harmoniques élevés dans les atomes est bien comprise en termes de modèle en trois étapes (ionisation, propagation et recombinaison). Ionisation: Le champ laser intense modifie le potentiel de Coulomb de l’atome, les tunnels d’électrons traversent la barrière et s’ionisent. Propagation: L’électron libre accélère dans le champ laser et gagne de l’élan. Recombinaison: Lorsque le champ s’inverse, l’électron est accéléré vers le parent ionique et libère un photon à très haute énergie Techniques de conversion de fréquence Différentes expériences de spectroscopie nécessitent différentes longueurs d’onde d’excitation ou de sonde. Pour cette raison, les techniques de conversion de fréquence sont couramment utilisées pour étendre le spectre de fonctionnement des sources de lumière laser existantes. Les techniques de conversion les plus répandues reposent sur l’utilisation de cristaux avec une non-linéarité du second ordre pour effectuer une amplification paramétrique ou un mélange de fréquences. Le mélange de fréquences fonctionne en superposant deux faisceaux de longueurs d’onde égales ou différentes pour générer un signal qui est un harmonique supérieur ou la fréquence somme des deux premiers. L’amplification paramétrique chevauche un faisceau de sonde faible avec un faisceau de pompe d’énergie plus élevée dans un cristal non linéaire de sorte que le faisceau faible soit amplifié et que l’énergie restante sorte comme un nouveau faisceau appelé le pignon fou. Cette approche a la capacité de générer des impulsions de sortie plus courtes que celles d’entrée. Différents schémas de cette approche ont été mis en œuvre. Des exemples sont: oscillateur paramétrique optique (OPO), amplificateur paramétrique optique (OPA), amplificateur paramétrique non-colinéaire (NOPA) .Techniques  Absorption transitoire ultra-rapide. Cette méthode est typique des expériences ‘pulse-probe’, où un laser pulsé est utilisé pour exciter les électrons d’une molécule de leurs états fondamentaux à des états excités d’énergie plus élevée. Une source de lumière de sondage, typiquement une lampe à arc au xénon, est utilisée pour obtenir un spectre d’absorption du composé à divers moments après son excitation. Comme les molécules excitées absorbent la lumière de la sonde, elles sont encore excitées à des états encore plus élevés. Après avoir traversé l’échantillon, la lumière non absorbée provenant de la lampe à arc continue vers un réseau de photodiodes à avalanche, et les données sont traitées pour générer un spectre d’absorption de l’état excité. Puisque toutes les molécules de l’échantillon ne subissent pas la même dynamique simultanément, cette expérience doit être effectuée plusieurs fois, et les données doivent être moyennées afin de générer des spectres avec des intensités et des pics précis. Contrairement à TCSPC, cette technique peut être réalisée sur des échantillons non-fluorescents. L’absorption transitoire ultra-rapide peut utiliser presque n’importe quelle lumière de sonde, tant que la sonde est d’une longueur d’onde ou d’un ensemble de longueurs d’onde pertinentes. Un monochromateur et un tube photomultiplicateur à la place du réseau de photodiodes à avalanche, permettent l’observation d’une seule longueur d’onde de sonde, et permettent ainsi de sonder la cinétique de décroissance des espèces excitées. Le but de cette installation est de prendre des mesures cinétiques d’espèces qui ne sont pas radiatives, et particulièrement utile pour observer des espèces qui ont des populations de courte et de non-phosphorescence dans le collecteur triplet dans le cadre de leur chemin de désintégration. Il convient de noter que le laser pulsé dans cette configuration est utilisé à la fois comme source d’excitation primaire et comme signal d’horloge pour les mesures ultrarapides. Bien que laborieuse et fastidieuse, la position du monochromateur peut également être décalée pour permettre la construction de profils de désintégration d’absorbance, au même effet que la méthode ci-dessus.

Spectroscopie de photoélectrons à résolution de temps et spectroscopie de photoélectrons à deux photons

La spectroscopie photoélectronique et la spectroscopie de photoélectrons à deux photons (2PPE) combinent un schéma pompe-sonde avec une photoémission résolue en angle. Une première impulsion laser est utilisée pour exciter un matériau, une seconde impulsion laser ionise le système. L’énergie cinétique des électrons de ce processus est ensuite détectée par diverses méthodes, y compris cartographie d’énergie, mesures de temps de vol, etc. Comme ci-dessus, le processus est répété plusieurs fois, avec différents délais entre l’impulsion de sonde et l’impulsion de pompe. Cela construit une image de la façon dont la molécule se détend au fil du temps. Une variation de cette méthode se penche sur les ions positifs créés dans ce processus, et est appelée spectroscopie photo-ionique résolue en temps (TRPIS) Spectroscopie multidimensionnelle En utilisant les mêmes principes mis au point par des expériences RMN-2D, la spectroscopie optique multidimensionnelle est possible impulsions ultrarapides.

Différentes fréquences peuvent sonder va de nombreux processus moléculaires dynamiques permettant de différencier l’élargissement de raies inhomogène et homogène et d’identifier le couplage entre les transitions spectroscopiques mesurées. Si deux oscillateurs sont couplés ensemble, que ce soit des vibrations intramoléculaires ou un couplage électronique intermoléculaire, la dimensionnalité ajoutée résoudra les réponses anharmoniques non identifiables dans les spectres linéaires. Une séquence d’impulsions 2D typique consiste en une impulsion initiale pour pomper le système en superposition cohérente d’états, suivie d’une seconde impulsion conjuguée de phase qui pousse le système dans un état excité non-oscillant, et enfin, une troisième impulsion qui se convertit en un état cohérent qui produit une impulsion mesurable. Un spectre de fréquence 2D peut ensuite être enregistré en traçant la transformée de Fourier du retard entre les première et seconde impulsions sur un axe, et la transformée de Fourier du retard entre une impulsion de détection par rapport à la troisième impulsion produisant un signal sur l’autre axe. La spectroscopie 2D est un exemple d’expérience de mélange à quatre ondes, et le vecteur d’onde du signal sera la somme des trois vecteurs d’onde incidents utilisés dans la séquence d’impulsions. La spectroscopie multidimensionnelle existe dans les variantes infrarouges et visibles ainsi que dans les combinaisons utilisant différentes régions de longueur d’onde.

Imagerie ultrastreuse

La plupart des techniques d’imagerie ultrarapides sont des variations sur des expériences de pompe-sonde standard. Certaines techniques couramment utilisées sont l’imagerie Diffraction Electronique, Kerr Gated Microscopy, l’imagerie avec des impulsions d’électrons ultrarapides et l’imagerie térahertz. De nouvelles applications de ces techniques d’imagerie apparaissent constamment. Cela est particulièrement vrai dans la communauté biomédicale où les techniques de diagnostic sûres et non invasives sont toujours intéressantes. L’imagerie térahertz a récemment été utilisée pour identifier les zones de pourriture dans l’émail des dents et l’image des couches de la peau. De plus, il a montré qu’il était capable de distinguer avec succès une région de carcinome mammaire d’un tissu sain. Une autre technique appelée microscopie amplifiée codée en temps de Serial a montré qu’elle avait la capacité de détecter encore plus tôt des traces de cellules cancéreuses dans le sang. La conversion ascendante femtoseconde est une technique pompe-sonde qui utilise une optique non-linéaire pour combiner le signal de fluorescence et le signal de sonde pour créer un signal avec un nouvelle fréquence via une upconversion de photons, qui est ensuite détectée. La sonde balaye les temps de retard après que la pompe excite l’échantillon, générant une parcelle d’intensité au fil du temps.

Applications de la spectroscopie femtoseconde à la biochimie

Les processus ultra-rapides se trouvent dans toute la biologie. Jusqu’à l’avènement des méthodes femtosecondes, beaucoup de mécanismes de tels processus étaient inconnus. La photo-isomérisation cis-trans du chromophorétinium rhodopsine, l’état excité et la dynamique de population de l’ADN, et les processus de transfert de charge dans les centres de photosynthèse. La dynamique de transfert de charge dans les centres photosynthétiques a une influence directe la technologie de récolte de lumière, tandis que la dynamique de l’état excité de l’ADN a des implications dans des maladies telles que le cancer de la peau. Les progrès dans les méthodes femtoseconde sont cruciaux pour la compréhension des phénomènes ultrarapides dans la nature.Photodissociation et sondage femtoseconde La photodissociation est une réaction chimique dans laquelle un composé chimique est décomposé par des photons. Il est défini comme l’interaction d’un ou plusieurs photons avec une molécule cible. Tout photon ayant une énergie suffisante peut affecter les liaisons chimiques d’un composé chimique, telles que la lumière visible, la lumière ultraviolette, les rayons X et les rayons gamma. La technique de sondage des réactions chimiques a été appliquée avec succès à des dissociations unimoléculaires. La possibilité d’utiliser une technique femtoseconde pour étudier les réactions bimoléculaires au niveau de la collision individuelle est compliquée par les difficultés de synchronisation spatiale et temporelle. Une façon de surmonter ce problème consiste à utiliser des complexes de Van der Waals de groupement moléculaire faiblement lié. Les techniques femtoseconde ne sont pas limitées à l’observation des réactions chimiques, mais peuvent même être exploitées pour influencer le cours de la réaction. Cela peut ouvrir de nouveaux canaux de relaxation ou augmenter le rendement de certains produits de réaction.

Spectroscopie Picoseconde-nanoseconde

Caméra Streak

Contrairement aux impulsions attoseconde et femtoseconde, la durée des impulsions à l’échelle de la nanoseconde est assez lente pour être mesurée par des moyens électroniques. Les caméras à stries traduisent le profil temporel des impulsions en celui d’un profil spatial; c’est-à-dire que les photons qui arrivent sur le détecteur à différents moments arrivent à des endroits différents sur le détecteur.

Comptage de photons uniques corrélé au temps

Le comptage de photons uniques corrélé au temps (TCSPC) est utilisé pour analyser la relaxation des molécules d’un état excité à un état d’énergie inférieur. Comme diverses molécules d’un échantillon émettent des photons à des instants différents après leur excitation simultanée, la désintégration doit être considérée comme ayant une certaine vitesse plutôt que de se produire à un moment spécifique après l’excitation. En observant combien de temps les molécules individuelles prennent pour émettre leurs photons, puis en combinant tous ces points de données, on peut générer un graphique d’intensité en fonction du temps qui affiche la courbe de décroissance exponentielle typique de ces processus. Cependant, il est difficile de surveiller simultanément plusieurs molécules. Au lieu de cela, les événements individuels d’excitation-relaxation sont enregistrés et ensuite moyennés pour générer la courbe.

Schéma d’une configuration TCSPC

Cette technique analyse la différence de temps entre l’excitation de la molécule d’échantillon et la libération d’énergie sous la forme d’un autre photon. Répéter ce processus plusieurs fois donnera un profil de désintégration. Des lasers pulsés ou des LED peuvent être utilisés comme source d’excitation. Une partie de la lumière passe à travers l’échantillon, l’autre à l’électronique en tant que signal de « synchronisation ». La lumière émise par la molécule d’échantillon est passée à travers un monochromateur pour sélectionner une longueur d’onde spécifique. La lumière est alors détectée et amplifiée par un tube photomultiplicateur (PMT). Le signal lumineux émis ainsi que le signal lumineux de référence sont traités par un discriminateur de fraction constante (CFD) qui élimine la gigue de synchronisation. Après avoir traversé le CFD, l’impulsion de référence active un circuit convertisseur temps-amplitude (TAC). Le TAC charge un condensateur qui retiendra le signal jusqu’à la prochaine impulsion électrique. En mode TAC inverse, le signal de « synchronisation » arrête le TAC. Ces données sont ensuite traitées par un convertisseur analogique-numérique (ADC) et un analyseur multicanal (MCA) pour obtenir une sortie de données. Pour s’assurer que la désintégration n’est pas biaisée pour les photons arrivant tôt, le taux de comptage des photons est maintenu bas (habituellement moins de 1% du taux d’excitation).

Cette impulsion électrique survient après que la seconde impulsion laser excite la molécule à un état d’énergie plus élevé, et un photon est finalement émis à partir d’une seule molécule lors du retour à son état d’origine. Ainsi, plus une molécule prend de temps pour émettre un photon, plus la tension de l’impulsion résultante est élevée. Le concept central de cette technique est que seul un seul photon est nécessaire pour décharger le condensateur. Ainsi, cette expérience doit être répétée plusieurs fois pour rassembler toute la gamme des délais entre l’excitation et l’émission d’un photon. Après chaque essai, un ordinateur pré-étalonné convertit la tension envoyée par le TAC en un temps et enregistre l’événement dans un histogramme du temps écoulé depuis l’excitation. Puisque la probabilité qu’aucune molécule ne se soit relâchée diminue avec le temps, une courbe de désintégration apparaît qui peut ensuite être analysée pour déterminer le taux de décroissance de l’événement.

Un facteur de complication majeur est que de nombreux processus de désintégration impliquent plusieurs états d’énergie, et donc plusieurs constantes de vitesse. Bien que l’analyse des moindres carrés non linéaires puisse généralement détecter les différentes constantes de vitesse, la détermination des processus impliqués est souvent très difficile et nécessite la combinaison de plusieurs techniques ultra-rapides. La présence de croisements entre systèmes et d’autres processus non radiatifs dans une molécule est encore plus compliquée. Un facteur limitant de cette technique est qu’elle est limitée à l’étude des états d’énergie qui entraînent une décroissance fluorescente. La technique peut également être utilisée pour étudier la relaxation des électrons de la bande de conduction à la bande de valence dans les semi-conducteurs.




Femtochimie

La femtochimie est le domaine de la chimie physique qui étudie les réactions chimiques sur des échelles de temps extrêmement courtes (environ 10-15 secondes ou une femtoseconde, d’où le nom) afin d’étudier l’action des atomes dans les molécules (réactants) des produits). En 1999, Ahmed Hassan Zewail a reçu le prix Nobel de chimie pour son travail de pionnier dans ce domaine montrant qu’il est possible de voir comment les atomes d’une molécule se déplacent lors d’une réaction chimique avec des éclairs de lumière laser.

Applications

L’application de la femtochimie dans les études biologiques a également aidé à élucider la dynamique conformationnelle des structures d’ARN tige-boucle.

De nombreuses publications ont discuté de la possibilité de contrôler les réactions chimiques par cette méthode, mais cela reste controversé. Les étapes de certaines réactions se produisent à l’échelle de la femtoseconde et parfois à l’échelle attoseconde, et forment parfois des produits intermédiaires. Ces produits intermédiaires ne peuvent pas toujours être déduits de l’observation des produits de départ et d’arrivée.

Spectroscopie pompe-sonde

L’approche la plus simple et encore l’une des techniques les plus courantes est connue sous le nom de spectroscopie pompe-sonde. Dans ce procédé, deux impulsions optiques ou plus avec un retard variable entre elles sont utilisées pour étudier les processus qui se produisent au cours d’une réaction chimique. La première impulsion (pompe) initie la réaction, en rompant une liaison ou en excitant l’un des réactifs. La seconde impulsion (sonde) est ensuite utilisée pour interroger la progression de la réaction pendant un certain temps après l’initiation. Au fur et à mesure que la réaction progresse, la réponse du système réagissant à l’impulsion de la sonde va changer. En balayant continuellement le délai entre les impulsions de la pompe et de la sonde et en observant la réponse, les travailleurs peuvent reconstituer la progression de la réaction en fonction du temps.

Exemples

La femtochimie a été utilisée pour montrer les stades électroniques résolus dans le temps de la dissociation du brome. [6] Lorsqu’ils sont dissociés par une impulsion laser de 400 nm, les électrons se localisent complètement sur les atomes individuels après 140 fs, avec des atomes de Br séparés de 6,0 Å après 160 fs.




La Génie Métabolique

La génie métabolique est la pratique consistant à optimiser les processus génétiques et régulateurs dans les cellules pour augmenter la production de certaines substances par les cellules. Ces processus sont représentés comme des réseaux chimiques qui utilisent une série de réactions biochimiques et d’enzymes qui permettent aux cellules de convertir les matières premières en molécules nécessaires à la survie de la cellule. La Génie métabolique cherche spécifiquement à modéliser mathématiquement ces réseaux, à calculer le rendement de produits utiles et à identifier les parties du réseau qui limitent la production de ces produits. Les techniques de génie génétique peuvent alors être utilisées pour modifier le réseau afin de pallier ces contraintes. Une fois de plus, ce réseau modifié peut être modélisé pour calculer le rendement du nouveau produit.

But

Le but ultime de l’ingénierie métabolique est de pouvoir utiliser ces organismes pour produire des substances de valeur à l’échelle industrielle de manière rentable. Les exemples actuels comprennent la production de bière, de vin, de fromage, de produits pharmaceutiques et d’autres produits biotechnologiques. Certaines des stratégies communes utilisées pour l’ingénierie métabolique sont (1) surexprimer le gène codant pour l’enzyme limitant la vitesse de la voie de biosynthèse, (2) bloquer les voies métaboliques concurrentes, (3) l’expression génique hétérologue et (4) la Génie enzymatique.

Puisque les cellules utilisent ces réseaux métaboliques pour leur survie, les changements peuvent avoir des effets drastiques sur la viabilité des cellules. Par conséquent, des compromis dans l’ingénierie métabolique se produisent entre la capacité des cellules à produire la substance désirée et ses besoins de survie naturels. Par conséquent, au lieu de supprimer et / ou de surexprimer directement les gènes qui codent pour les enzymes métaboliques, l’objectif actuel est de cibler les réseaux de régulation dans une cellule pour concevoir efficacement le métabolisme.

Histoire et applications

Autre fois, pour augmenter la productivité d’un métabolite désiré, un micro-organisme était génétiquement modifié par une mutation chimiquement induite, et la souche mutante qui surexprimait le métabolite désiré était alors choisie. Cependant, l’un des principaux problèmes avec cette technique était que la voie métabolique pour la production de ce métabolite n’était pas analysée, et par conséquent, les contraintes à la production et les enzymes de la voie à modifier étaient inconnues.

Dans les années 1990, une nouvelle technique appelée ingénierie métabolique a émergé. Cette technique analyse la voie métabolique d’un micro-organisme et détermine les contraintes et leurs effets sur la production des composés désirés. Il utilise ensuite le génie génétique pour soulager ces contraintes. Quelques exemples d’ingénierie métabolique réussie: (i) Identification des contraintes à la production de lysine chez Corynebacterium glutamicum et insertion de nouveaux gènes pour soulager ces contraintes afin d’améliorer la production (ii) Ingénierie d’une nouvelle voie de biosynthèse des acides gras voie d’oxydation bêta inversée, qui est plus efficace que la voie native dans la production d’acides gras et d’alcools pouvant potentiellement être convertis catalytiquement en produits chimiques et carburants  (iii) Amélioration de la production de DAHP, un métabolite aromatique produit par E. coli intermédiaire dans la production d’acides aminés aromatiques.  Il a été déterminé par analyse de flux métabolique que le rendement maximal théorique de DAHP par molécule de glucose utilisée était de 3/7. En effet, une partie du carbone provenant du glucose est perdue sous forme de dioxyde de carbone au lieu d’être utilisée pour produire du DAHP. En outre, l’un des métabolites (PEP ou phosphoénolpyruvate) utilisés pour produire du DAHP était converti en pyruvate (PYR) pour transporter le glucose dans la cellule et, par conséquent, n’était plus disponible pour produire du DAHP. Afin de pallier la pénurie de PEP et d’augmenter le rendement, Patnaik et al. utilisé le génie génétique sur E. coli pour introduire une réaction qui convertit le PYR en PEP. Ainsi, le PEP utilisé pour transporter le glucose dans la cellule est régénéré, et peut être utilisé pour fabriquer du DAHP. Cela a abouti à un nouveau rendement maximal théorique de 6/7 – le double de celui du système E. coli natif.

À l’échelle industrielle, la Génie métabolique devient plus pratique et rentable. Selon l’Organisation de l’industrie biotechnologique, «plus de 50 installations de bioraffinage sont construites en Amérique du Nord pour appliquer la génie métabolique afin de produire des biocarburants et des produits chimiques à partir de biomasse renouvelable pouvant aider à réduire les émissions de gaz à effet de serre». Les biocarburants potentiels comprennent les alcools à chaîne courte et les alcanes (pour remplacer l’essence), les esters méthyliques d’acides gras et les alcools gras (pour remplacer le diesel) et les biocarburants à base d’acides gras et d’isoprénoïdes (pour remplacer le diesel).

La génie métabolique continue d’évoluer dans l’efficacité et les processus aidés par des percées dans le domaine de la biologie synthétique et des progrès dans la compréhension des dommages métaboliques et de sa réparation ou préemption. Les premières expériences d’ingénierie métabolique ont montré que l’accumulation d’intermédiaires réactifs peut limiter le flux dans les voies d’ingénierie et être délétère pour les cellules hôtes si les systèmes correspondants de contrôle des dommages sont manquants ou inadéquats. Les chercheurs en biologie synthétique optimisent les voies génétiques, qui à leur tour influencent les résultats métaboliques cellulaires. Les baisses récentes du coût de l’ADN synthétisé et des développements dans les circuits génétiques aident à influencer la capacité de l’ingénierie métabolique à produire les extrants désirés.

Analyse du flux métabolique

Mise en place d’une voie métabolique pour l’analyse

La première étape du processus consiste à identifier un objectif souhaité à atteindre par l’amélioration ou la modification du métabolisme d’un organisme. Des ouvrages de référence et des bases de données en ligne sont utilisés pour rechercher des réactions et des voies métaboliques capables de produire ce produit ou ce résultat. Ces bases de données contiennent de nombreuses informations génomiques et chimiques, y compris des voies de métabolisme et d’autres processus cellulaires. En utilisant cette recherche, on choisit un organisme qui sera utilisé pour créer le produit ou le résultat désiré. Les considérations qui sont prises en compte lors de cette prise de décision sont à quel point la voie métabolique de l’organisme est proche de la voie désirée, les coûts d’entretien associés à l’organisme, et comment il est facile de modifier la voie de l’organisme. Escherichia coli (E. coli) est largement utilisé en génie métabolique pour synthétiser une grande variété de produits tels que les acides aminés, car il est relativement facile à maintenir et à modifier. Si l’organisme ne contient pas la voie complète pour le produit ou le résultat souhaité, alors les gènes qui produisent les enzymes manquantes doivent être incorporés dans l’organisme.

Analyser une voie métabolique

La voie métabolique achevée est modélisée mathématiquement pour trouver le rendement théorique du produit ou les flux de réaction dans la cellule. Un flux est la vitesse à laquelle une réaction donnée se produit dans le réseau. L’analyse de la voie métabolique simple peut être faite à la main, mais la plupart nécessitent l’utilisation d’un logiciel pour effectuer les calculs. Ces programmes utilisent des algorithmes complexes d’algèbre linéaire pour résoudre ces modèles. Pour résoudre un réseau en utilisant l’équation pour les systèmes déterminés ci-dessous, il faut entrer les informations nécessaires sur les réactions pertinentes et leurs flux. Des informations sur la réaction (telles que les réactifs et la stoechiométrie) sont contenues dans les matrices Gx et Gm. Les matrices Vm et Vx contiennent les flux des réactions pertinentes. Une fois résolue, l’équation fournit les valeurs de tous les flux inconnus (contenus dans Vx).

Déterminer les manipulations génétiques optimales

Après avoir résolu les flux de réactions dans le réseau, il est nécessaire de déterminer quelles réactions peuvent être modifiées afin de maximiser le rendement du produit désiré. Pour déterminer quelles manipulations génétiques spécifiques effectuer, il est nécessaire d’utiliser des algorithmes de calcul, tels que OptGene ou OptFlux. Ils fournissent des recommandations pour quels gènes devraient être surexprimés, assommés, ou introduits dans une cellule pour permettre une production accrue du produit désiré. Par exemple, si une réaction donnée a un flux particulièrement faible et limite la quantité de produit, le logiciel peut recommander que l’enzyme catalysant cette réaction soit surexprimée dans la cellule pour augmenter le flux de réaction. Les manipulations génétiques nécessaires peuvent être effectuées en utilisant des techniques de biologie moléculaire standard. Les gènes peuvent être surexprimés ou assommés d’un organisme, selon leur effet sur la voie et le but ultime. [15]

Mesures expérimentales

Afin de créer un modèle solvable, il est souvent nécessaire de connaître ou de mesurer expérimentalement certains flux. De plus, afin de vérifier l’effet des manipulations génétiques sur le réseau métabolique (pour s’assurer qu’elles s’alignent avec le modèle), il est nécessaire de mesurer expérimentalement les flux dans le réseau. Pour mesurer les flux de réaction, les mesures de flux de carbone sont effectuées en utilisant un marquage isotopique au carbone 13. L’organisme est alimenté par un mélange contenant des molécules dans lesquelles des atomes de carbone spécifiques sont transformés en atomes de carbone-13, au lieu du carbone-12. Après l’utilisation de ces molécules dans le réseau, les métabolites en aval sont également marqués au carbone 13, car ils incorporent ces atomes dans leurs structures. Le profil de marquage spécifique des différents métabolites est déterminé par les flux de réaction dans le réseau. Les modèles de marquage peuvent être mesurés en utilisant des techniques telles que la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS) ainsi que des algorithmes de calcul pour déterminer les flux de réaction.




Nanorobotique

La Nanorobotique est un domaine émergent de technologie ui consiste à la création des machines ou robots à l’échelle d’un nanomètre (10-9 mètres). <fn>Vaughn JR (2006). « Over the Horizon: Impact potentiel des nouvelles tendances danstechnologiesinformation etcommunication surpolitiquehandicap etpratique». Conseil national sur lehandicap, Washington DC : 1-55.</fn> Plus précisément, la nanorobotique fait référence à la discipline de nanotechnologie, d’ingénierie de conception et de construction de nanorobots, avec des appareils d’une taille allant de 0,1-10 micromètres qui sont capable de construire à l’échelle nanométrique ou moléculaire des composants. <fn>Tarakanov, A. O.; Goncharova, L. B.; Tarakanov Y. A. (2009). « Carbon nanotubes towards medicinal biochips ». Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 2 (1): 1–10.</fn>. Les termes nanobot , nanoïde , nanite , nanomachine ou nanomite ont également été utilisés pour décrire de tels dispositifs actuellement en cours de recherche et le développement. <fn>Cerofolini, G.; Amato, P.; Asserini, M.; Mauri, G. (2010). « A Surveillance System for Early-Stage Diagnosis of Endogenous Diseases by Swarms of Nanobots ». Advanced Science Letters. 3 (4): 345–352. </fn>

Les nanomachines

Les Nanomachines sont en grande partie dans la phase de recherche et de développement <fn>Wang, J. (2009). « Can Man-Made Nanomachines Compete with Nature Biomotors? ». ACS Nano. 3 (1): 4–9. doi:10.1021/nn800829k. PMID 19206241.</fn> , mais certaines machines moléculaires primitives et des nanomoteurs ont été testés. Un exemple est un capteur ayant un commutateur d’environ 1,5 nanomètres de diamètre, capable de compter des molécules spécifiques dans un échantillon chimique.

Nanomachine
Une Nanomachine

Applications

Les premières applications utiles de nanomachines peuvent être en nanomédecine. <fn>Amrute-Nayak, M.; Diensthuber, R. P.; Steffen, W.; Kathmann, D.; Hartmann, F. K.; Fedorov, R.; Urbanke, C.; Manstein, D. J.; Brenner, B.; Tsiavaliaris, G. (2010). « Targeted Optimization of a Protein Nanomachine for Operation in Biohybrid Devices ». Angewandte Chemie. 122 (2): 322–326. </fn> Par exemple, des machines biologiques peuvent être utilisées pour identifier et détruire les cellules cancéreuses. Une autre application possible est la détection de produits chimiques toxiques et la mesure de leurs concentrations dans les milieux bioloiques. Rice University a pu développer un véhicule monomoléculaire (nano-car) développé par un procédé chimique utilisant notamment le buckminsterfullerène (buckyballs) pour les roues des voitures. Il est actionné par le contrôle de la température ambiante et par le positionnement d’un microscope à effet tunnel.

Une autre définition consiste à un robot qui permet des interactions précises avec des objets à l’échelle nanométrique, ou peut les manipuler avec une résolution nanométrique. De tels dispositifs sont plus liés à la microscopie à sonde à balayage , au lieu de la description de nanorobots comme machine moléculaire.

En utilisant la définition de la microscopie, même un grand appareil tel qu’un microscope à force atomique peut être considéré comme un instrument nanorobotique lorsqu’il est configuré pour exécuter une nanomanipulation. Pour ce point de vue, des robots ou des microrobots macroscopique qui peuvent se déplacer avec une précision nanométrique peuvent également être considérés comme des nanorobots.