Nanotechnologie et Nanosciences Département d’électronique M1 instrumentation biomédicale Nanotechnologie et Nanosciences Réaliser par : Boucheker Ahlem Merabet Rayene

Plan de L’exposé INTRODUCTION AU NANOMONDE Qu’est-ce que le nanomètre ? Qu’est ce que le nano-monde? NANOTECHNOLOGIE ET NANOSCIENCE LES NANOMATERIAUX APPLICATIONS BIOMEDICALES CONCLUSION

INTRODUCTION AU NANOMONDE Qu’est-ce que le nanomètre ? Le préfixe "nano" vient du grec et signifie « très petit ». Les scientifiques l'utilisent comme préfixe dans les unités de mesure pour exprimer le milliardième de l'unité de base. Le nanomètre est le milliardième de mètre, soit 0,000 000 001 mètre. Il est d'usage de l'écrire en abrégé "nm". Un nanomètre, c’est environ : • 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait de stylo à bille ; • 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ; • 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ; • 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre.

Le « nano-monde » est le domaine des «nanoobjets ». Qu’est ce que le nano-monde? Le « nano-monde » est le domaine des «nanoobjets ». 

NANOTECHNOLOGIES ET NANOSCIENCES 1 : Les nanotechnologies sont les techniques permettant de créer des matériaux ,des objets ou des systèmes qui font appel à de nouvelles propriétés qui découlent de ces dimensions nanométriques. 2 : Le terme « Nanotechnologie » signifie littéralement n’importe quelle technologie réalisée sur un nanoscale qui a des applications dans le vrai monde. Nanotechnologie entoure la production et application des systèmes physiques, chimiques et biologiques à petit échelle s’étendant de différents atomes ou molécules individuelle aux dimensions submicroniques, aussi bien que l’intégration des nano structures résultants dans des systèmes plus grande. La Nanotechnologie est de l'architecture à l'échelle atomique et moléculaire. NANOSCIENCES: Les nanosciences sont une classe de sciences nouvelles développées à la fin du XXème siècle. Elles se rapprochent par le fait qu’elles étudient la matière, vivante ou non, à l’échelle nanométrique. Ces sciences sont très différentes puisqu'elles regroupent la nano-chimie, la nano-physique et la nano-biologie. Ce qu'elles ont en commun ce sont les outils qui permettent d’étudier la matière à cette échelle donnée.

LES NANOMATERIAUX Il existe de nombreuses définitions du terme « nanomatériau ». La Commission européenne a proposé en octobre 2011, dans le cadre d’une recommandation , une définition pour le terme « nanomatériau ». « Un nanomatériau est un matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé contenant des particules libres, sous forme d’agrégat ou sous forme d’agglomérat, dont au moins 50 % des particules, dans la répartition numérique par taille, présentent une ou plusieurs dimensions externes se situant entre 1 nm et 100 nm. ». Est également mentionné dans cette recommandation, que tout matériau est à considérer comme relevant de la définition mentionnée ci-dessus dès lors qu’il présente une surface spécifique en volume supérieure à 60 m2/cm3. Selon la norme ISO TS 80004-1, un nanomatériau est un matériau dont au moins une dimension externe est à l’échelle nanométrique c'est-à-dire comprise approximativement entre 1 et 100 nm ou qui possède une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique.

LES NANOMATERIAUX Il existe deux grandes familles de nanomatériaux : Les nano-objets : qui sont des matériaux dont une, deux ou trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique c'est-à-dire approximativement entre 1 et 100 nm. Parmi les nano-objets, il est possible de distinguer trois catégories : les nanoparticules: qui désignent des nano-objets dont les trois dimensions externes se situent à l’échelle nanométrique : nanoparticules de latex, d’oxyde de zinc, de fer et de cérium, d’alumine, de dioxyde de titane, de carbonate de calcium, etc. les nanofibres, nanotubes, nanofilaments ou nanobâtonnets: qui se rapportent à des nano-objets dont deux dimensions externes sont à l’échelle nanométrique et la troisième dimension significativement supérieure (nanotubes de carbone, nanofibres de polyester, nanotubes de bore, etc.). Ces termes désignent des nano-objets longilignes de section comprise entre 1 et quelques dizaines de nm et de longueur comprise entre 500 et 10 000 nm. les nano-feuillets, nano-plats ou nano-plaquettes: qui définissent des nano-objets dont une dimension externe se situe à l’échelle nanométrique et les deux autres dimensions sont significativement supérieures (nano-feuillets d’argile, nano-plaquettes de séléniure de cadmium, etc.). Les nano-objets peuvent être utilisés en tant que tels sous forme de poudre, de suspension liquide ou de gel.

LES NANOMATERIAUX Les matériaux nanostructurés:  qui possèdent une structure interne ou de surface à l’échelle nanométrique. Parmi les matériaux nanostructurés, il est possible de distinguer plusieurs familles parmi lesquelles : les agrégats et agglomérats de nano-objets: Les nano-objets peuvent se présenter soit sous forme individuelle (c'est-à-dire sous forme de particules primaires) ou soit sous forme d’agrégats ou d’agglomérats dont la taille est sensiblement supérieure à 100 nm. les nanocomposites: Ces matériaux sont composés pour tout ou partie de nano-objets qui leur confèrent des propriétés améliorées ou spécifiques de la dimension nanométrique. Les nano-objets sont incorporés dans une matrice ou sur une surface afin d’apporter une nouvelle fonctionnalité ou de modifier certaines propriétés mécaniques, magnétiques, thermiques, etc. Les polymères chargés de nanotubes de carbone utilisés dans le secteur des équipements sportifs, afin d’améliorer leur résistance mécanique et de diminuer leur poids, constituent un exemple de nanocomposites. les matériaux nanoporeux: Ces matériaux possèdent des pores de taille nanométrique. Les aérogels de silice sont des matériaux nanoporeux qui présentent d’excellentes propriétés d’isolation thermique.

LES NANOMATERIAUX Les nanomatériaux produits de façon intentionnelle par l’Homme à des fins d’applications précises et possédant des propriétés spécifiques sont nommés « nanomatériaux manufacturés ». Parmi ces nanomatériaux manufacturés, certains sont produits depuis déjà de nombreuses années dans des tonnages importants tels que le dioxyde de titane, le noir de carbone, l’alumine, le carbonate de calcium ou la silice amorphe. D’autres plus récents sont fabriqués dans des quantités moindres tels que les nanotubes de carbone, les quantum dots ou les dendrimères. Il existe également des nanomatériaux produits par l’Homme de façon non intentionnelle, appelés parfois particules ultra-fines, issus de certains procédés thermiques et mécaniques tels que les fumées de soudage ou de projection thermique, les émissions de moteurs à combustion, etc. Enfin, des particules ultra-fines naturelles sont présentes dans notre environnement, à l’image des fumées volcaniques ou des virus.

APPLICATIONS BIOMEDICALES Après la révolution, liée au décodage du génome humain et à l’identification des protéines codées par ces gènes, l’homme fait face à un nouveau défi. La nanomédecine est l’application des nanotechnologies au domaine médical. Elle regroupe de nombreuses branches tant par les techniques utilisées que par les domaines ciblés. L'élément phare de la nanomédecine et qui reste souvent l’image qu’on se fait des nanotechnologies, est le nanorobot. Bien que cet édifice nanométrique fasse encore rêver, les technologies utilisées aujourd’hui ne permettent pas de créer des robots en grande quantité, au vu de la complexité de leur assemblage et des risques qu’ils pourraient faire courir aux patients. Représentation fictive d'un nanorobot saisissant un virus. Représentation fictive d'un nanorobot gérant la connexion entre des neurones.

APPLICATIONS BIOMEDICALES La nanomédecine, c’est aussi la recherche et l’innovation combiné au monde du nano pour vaincre les maladies les plus graves comme les troubles quotidiens. Elle doit fournir les outils d’analyse de la fonction des molécules dans l’organisme vivant et permettre de mieux comprendre certaines maladies, développer de nouvelles thérapies et des outils diagnostiques.  Nous allons voir ci-dessous quelques exemples de prototypes dans ce domaine: Les nanoparticules ferromagnétiques pour la lutte contre le cancer: L’utilisation principale des nanoparticules ferromagnétiques  se fait dans la lutte contre le cancer. Les cellules cancéreuses, par exemple celles du cancer du sein, libèrent une protéine (rho b) spécifique à ce cancer. Il suffit donc d’implémenter des récepteurs à cette protéine sur la base de la nanoparticule pour qu’elle soit capable de se fixer sur les cellules cancéreuses. L’accumulation de cette particule dans une tumeur permettra une meilleure visualisation de celle-ci par irm.    Liaison entre le peptide d'une nanoparticule et une protéine.

APPLICATIONS BIOMEDICALES Les nombreuses utilisations du nanotube de carbone: Transport et détection de protéines: La structure particulière du nanotube de carbone peut être utilisée pour transporter des particules. Les nanotubes de carbone présentent un espace interne pouvant contenir de très nombreuses molécules de taille relativement importantes. Ainsi il a été imaginé d’utiliser les nanotubes comme des "boîtes" permettant d’assurer le transport de médicaments. Par ailleurs, sur sa structure externe peuvent être accrochées différentes molécules ou corps physiques qui interagiraient avec d’autres cellules comme, par exemple, des cellules malades. Ceci permet alors de transporter sur un lieu précis les produits contenus dans le nanotube. Un autre moyen de transport : la nano-aiguille: Liaison d'une protéine à un nanotube de carbone. Un groupe de chercheurs de l’université de l’Illinois a réalisé une nano-aiguille utilisable à l'échelle d'une seule cellule. Elle permet d'y injecter un petit nombre de molécules, mais aussi de sonder le cytoplasme et le noyau.

APPLICATIONS BIOMEDICALES Détruire des cellules : la nanobombe et les ondes radio Des petites bombes à l’échelle du nanomètre peuvent être réunies en forme de grappe. Une fois exposées à la chaleur du rayonnement d’une source lumineuse, les nanobombes explosent les unes après les autres. Une autre méthode visant la destruction des cellules cancéreuses est l’utilisation des ondes radio. Le principe consiste à introduire des nanotubes dans un organe malade, de les diriger vers les cellules cancéreuses. Ensuite, il suffit de faire passer des ondes radio à travers le tissu. Les nanotubes vont alors chauffer et détruire la tumeur, tout en épargnant les cellules non traitées. L’expérience a été réalisée sur le foie d’un lapin. La tumeur a été totalement irradiée mais certains tissus hépatiques sains de 2 à 5 millimètres ont subit quelques dommages, causés par la chaleur. Cependant, cibler uniquement les cellules cancéreuses est un défi majeur. Des recherches sont en cours pour tenter de combiner la détection d’un antigène spécifique à l’aide d’un nanotube et son échauffement par ondes radio. Explosion d'une plaque de nanotubes de carbone au laser.

APPLICATIONS BIOMEDICALES Transporter des médicaments: La structure du nanotube de carbone permet d’y fixer, à l’extérieur, des molécules ayant une affinité avec les cellules cibles pour permettre une reconnaissance précise. À l’intérieur, des médicaments ou des toxines peuvent être placés. Ils auront pour action de se mettre en contact avec une cellule malade et de délivrer au bon endroit les médicaments qui permettront de la traiter.  Atomes de tritium dans un nanotube de carbone. Nanoparticules fixées à un nanotube de carbone.

CONCLUSION Nous avons vu que les nanotechnologies sont un domaine très prometteur. De nombreuses applications sont possibles dans de vastes domaines. Celui de la médecine profite largement des bénéfices apportés par les nanoparticules. En effet, qu’il s’agisse du nanotube de carbone ou encore d’une nanoparticule à cœur magnétique les nano-objets ouvrent une nouvelle branche de la recherche : il devient possible de traiter le cancer, d’injecter des particules de taille nanométriques et d’en contrôler la quantité, de localiser certains types de cellules, etc. Grace à elles, on peut démultiplier les possibilités actuelles : il est possible de faire mieux avec moins, et d’avoir une dispersion rapide sur un élément ciblé. Mais les nanotechnologies ne doivent pas être utilisées à outrance. Il faut savoir réguler leur emploi pour éviter une éventuelle catastrophe sanitaire. Enfin, le développement durable à besoin des nanotechnologies pour progressivement amener une nouvelle visée de la science, celle d’informer et d’aider au développement mondial. En clair, les nanotechnologies sont une véritable avancée technique qui a tout pour conduire la société vers une nouvelle révolution dans le domaine médical comme nous l’avons vu, mais aussi dans de nombreux autres. Seules les incertitudes peuvent être un frein à cette lancée scientifique, et il est de notre ressort de décider comment s’agencera la « course aux nanos ».