NANOSCIENCES

Suivez de près l'émergence des nanosciences et des nanotechnologies à travers de nombreux articles, documents et vidéos.

AU COEUR DES NANOSCIENCES

Des produits de plus en plus petits, plus légers, moins chers, des progrès dans les domaines des télécommunications, de la santé, de l'environnement : les nanosciences et les nanotechnologies sont au coeur de cette évolution (on parle même de « révolution »). A l'Institut des Nanosciences de Paris, des physiciens, des acousticiens, des opticiens, des chimistes unissent leurs efforts pour mettre en évidence et comprendre les propriétés nouvelles qui surgissent dans les matériaux lorsqu'ils sont confinés, jusqu'à l'échelle du nanomètre. Pour fabriquer, manipuler, observer et caractériser ces objets, les chercheurs développent des méthodes et des instruments toujours plus performants. Ils peuvent ainsi étudier les processus électroniques, les phénomènes de propagation acoustique ou optique et s'intéresser aux interfaces entre ces petits objets et leur environnement. Porteuses d'espoir pour les uns, de crainte pour les autres, les recherches dans le domaine des nanosciences suscitent des questionnements et nécessitent une réflexion éthique sur les évolutions futures et leur impact social.

SOURCE :
réalisateur: Hervé Colombani images: Samia Serri, Jean-Paul Flourat montage: Micaëla Perez musique: Vincent Bühler mixage: Pierre Guignot producteur délégué: Michèle Brédimas producteur exécutif: Samia Serri Studio vidéo Université Paris 7 Denis Diderot

DES NANO-ANTENNES BIO-INSPIRÉES QUI CAPTENT ET ÉMETTENT DE LA LUMIÈRE


La lumière étant une onde, en principe rien ne devrait empêcher des chercheurs de concevoir des antennes optiques capables d'amplifier un signal lumineux, à la manière des antennes des télévisions ou des téléphones portables qui captent les ondes radios. Seule contrainte, et de taille, la lumière oscillant un million de fois plus rapidement que les ondes radios, les antennes capables de les capter doivent être extrêmement petites, de l'ordre du nanomètre. Or cette antenne, des chercheurs de l'Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech/UPMC/Université Paris Diderot) à Paris et de l'Institut Fresnel (CNRS/Université Aix-Marseille, Ecole Centrale de Marseille) à Marseille l'ont mise au point, réalisant du même coup une première. Pour ce faire, ils ont greffé des particules, de 36 nanomètres de diamètre, et un colorant organique fluorescent sur de courts brins d'ADN synthétiques, longs de 10 à 15 nanomètres. La molécule fluorescente agit alors comme une source quantique qui alimente l'antenne en photons tandis que les nanoparticules d'or amplifient l'interaction entre l'émetteur et la lumière.

Facile à manipuler et à contrôler, cette nano-antenne optique est décrite dans un article publié dans Nature Communications. Précisons que ses caractéristiques dépassent largement les possibilités qu'offrent aujourd'hui les techniques classiques de lithographie utilisées dans la conception des microprocesseurs. A plus ou moins long terme, une telle miniaturisation pourrait permettre l'émergence de diodes luminescentes plus efficaces et de cellules solaires plus compactes, voire être utilisées en cryptographie quantique.

Source: ADIT - Jean-François Desessard

NANOTECHNOLOGIE POUR "FONCTIONNALISER" DES CELLULES VIVANTES

Nombreuses sont les raisons pour lesquelles nous cherchons à maîtriser ce qui se passe à l'échelle cellulaire dans les organismes vivants : pour améliorer la performance des cellules et les rendre plus résistantes, pour dépister, diagnostiquer et traiter des pathologies, etc. Les scientifiques cherchent donc à agir sur les propriétés des cellules, ce qui constitue un défi d'envergure : d'une part cela nécessite d'opérer à des échelles nanométriques, et d'autre part il faut trouver des méthodes compatibles avec le système immunitaire de l'organisme afin de ne pas perturber la reproduction des cellules.

La poursuite de ces objectifs a engendré l'essor d'une nouvelle ère de recherche, les "bionanotechnologies". Globalement, les études dans ce domaine visent à utiliser les outils de la nanotechnologie pour aborder les problèmes médicaux et biologiques. Dans ce but, une partie importante des recherches concerne la fonctionnalisation des cellules, c'est-à-dire l'attribution de nouvelles propriétés grâce à des modifications de la structure de la cellule. Rawil F. Fakhrullin de la Kazan Federal University [1] et Yuri M. Lvov de la Louisiana Tech University [2] proposent une approche ambitieuse, consistant à fabriquer des structures biomimétiques qui s'accrocheraient sur les cellules vivantes afin d'en modifier la structure et de leur conférer ainsi de nouvelles propriétés. Mieux que les méthodes de modifications génétiques, cette approche permet de réaliser de façon indépendante des nanodispositifs aux propriétés adaptées "sur mesure", telles que la sensibilité à la température et au pH, la perméabilité ou la stabilité structurelle.

Afin de ne pas perturber l'organisme, Fakhrullin et Lvov proposent une méthode d'auto-assemblage qui respecte les conditions chimiques du milieu aqueux dans lequel baignent les cellules. Ils utilisent pour cela la fameuse technique de déposition couche par couche ("Lbl deposition", i.e. "layer by layer deposition"). Dans un premier temps, ils réalisent un film plan via l'adsorption séquentielle de couches de composants nanométriques fonctionnels de charges opposées : polyélectrolytes, protéines ou nanoparticules. Ces couches se lient spontanément entre elles grâce aux interactions électrostatiques. Dans un second temps, la cellule est encapsulée par ce film à plusieurs couches : elle se retrouve ainsi "enrobée" d'une couche nanométrique de matériaux fonctionnels, qui lui permet de préserver les nouvelles propriétés acquises pour une ou deux générations cellulaire. En jouant sur l'ordre des couches, les propriétés de la capsule peuvent être contrôlées. Les combinaisons sont quasiment illimitées, d'où l'avantage considérable de la méthode.

Par ailleurs, cette technique d'encapsulation permet aux chercheurs de traiter plusieurs cellules biologiques en parallèle. Il devient alors possible de réaliser des assemblages de cellules fonctionnalisées afin d'obtenir par exemple des structures multicellulaires artificielles ou de concevoir des tissus. D'autres perspectives consisteraient à inclure des nutriments dans la capsule ou encore de la protéger du système immunitaire pour pouvoir l'utiliser comme vecteur de médicaments dans le corps humain ou dans un but thérapeutique. Les cellules fonctionnalisées trouvent ainsi de nombreuses applications : biosorbants, biocapteurs, dans la formation de spores, l'ingénierie tissulaires et le médical. L'une des applications les plus prometteuses concerne les cellules magnétisées : il a récemment été montré comment des cellules humaines fonctionnalisées afin d'être magnétiques pouvaient être alors manipulées par un simple aimant, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles thérapies cellulaires [3].

SOURCE:
Catherine Marais, Attaché scientifique adjoint, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org Retrouvez toutes nos activités sur http://france-science.org.

LE NANOPATCH VA-T-IL REMPLACER LA SERINGUE ?

Après 160 ans, l'aiguille et la seringue vivent-elles leurs dernières années en matière de vaccination ? Peut-être, si l'on en croit Mark Kendall, un chercheur qui a travaillé sur l'administration de vaccins par patch et qui est convaincu que cette technique finira par s'imposer et par se substituer à l'aiguille.

"La plupart des vaccins actuels sont administrés avec le couple aiguille-seringue qui date de 1853" souligne le scientifique qui a obtenu des résultats impressionnants dans les essais de nanopatch sur les animaux et doit bientôt passer aux essais sur l'homme, en Australie et en Papouasie-Nouvelle-Guinée, qui dureront trois ans.

Le Nanopatch est conçu pour diffuser une petite quantité de vaccin juste sous la peau et les tests sur l'animal ont montré qu'il peut générer la même réponse immunitaire que la seringue mais avec seulement une fraction de la dose nécessaire pour un vaccin traditionnel. Contrairement aux autres procédés de patch testés jusqu'à présent, ce Nanopatch permet la vaccination directe, sans adjuvant, avec un contrôle immédiat et direct de l'antigène administré. En outre, cette technique utilise des vaccins lyophilisés et peut donc se passer de la chaîne du froid pour conserver les vaccins, ce qui réduit le coût de la vaccination.

Au cours des 30 dernières années, les immunologistes ont découvert que la peau, à la différence des muscles, comporte une grande variété de cellules immunitaires, ce qui en fait une cible plus efficace pour les vaccins.

Jusqu'à présent, l'équipe de recherche de Kendall (Université du Queensland pour la biotechnologie et la nanotechnologie en Australie) a testé avec succès le Nanopatch sur des souris qui ont reçu différents vaccins par cette technique.

Autres avantages du Nanopatch : il est indolore et à faible coût - moins d'un dollar par dose, contre 50 pour de nombreux vaccins actuels - et facilement transportable.

Il y a encore 17 millions de décès par an dus aux maladies infectieuses, surtout dans les pays pauvres, et la mise au point d'une technique de vaccination simple, efficace et bon marché, par patch, représente un enjeu médical majeur même si nous avons encore un long chemin à parcourir en matière d'essais sur l'homme», souligne Kendall.

SOURCE: Article rédigé par Elisa Tabord pour RT Flash

DES NANOPARTICULES D’OR POUR COMBATTRE LE CANCER

En juillet 2012, des chercheurs américains de l'Université du Missouri annonçaient des premiers résultats encourageants concernant une thérapie contre le cancer de la prostate qui utilise des nanoparticules d'or radioactif pour véhiculer une molécule anti-cancer.

Il y a quelques semaines, des chercheurs britanniques annonçaient la mise au point d'un test à base de nanoparticules d'or qui permet de dépister à l'œil nu les premiers stades d'une maladie ou d'une infection.

Cette fois, c'est le groupe pharmaceutique britannique AstraZeneca qui a annoncé une alliance avec la société américaine CytImmune pour mettre au point une thérapie anti-cancer utilisant des nanoparticules d’or comme vecteurs d'agents anticancéreux.

Cette association a pour vocation de construire un système combinant le facteur de nécrose tumorale (TNF), une molécule anticancer et un composé de camouflage à base de polyéthylène glycol contre le système immunitaire. Ce projet, baptisé CYT-6091, a déjà fait l’objet d’un essai clinique de phase I chez des patients souffrant de cancers avancés. Il permet la destruction des tumeurs sans recours à la chirurgie.

AstraZeneca prévoit déjà de tester CYT-6091 avec ses agents oncologiques. Ces essais devraient permettre d’évaluer l’intérêt du système de nanoparticules d’or dans l’amélioration de la spécificité du traitement et donc de la tolérance et de l’efficacité des chimiothérapies.

L'or radioactif est un vecteur de médicaments très intéressant car il a un isotope dont la demi-vie (temps au bout duquel la moitié des particules ont perdu leur radioactivité) de deux jours et demi. Au bout de quelques semaines, l'ensemble de ces nanoparticules d'or cessent donc d'être radioactives.

SOURCE: Article rédigé par Gaël Orbois pour RT Flash

L'AGRICULTURE ET LES NANOMATÉRIAUX

Les nanomatériaux sont définis comme des matériaux dont la taille des particules est inférieure à 100 nm, pour au moins une des dimensions. Depuis près de dix ans, les applications des nanomatériaux se développent dans de nombreux domaines. Parmi ces derniers:

Néanmoins, le développement des nanomatériaux dans le secteur de l'agriculture est relativement récent et nécessite de plus vastes études. Les premiers travaux de recherche ont concerné des procédés de nanoencapsulation de produits chimiques habituellement pulvérisés sur les champs, le but étant de réduire la présence d'éventuelles traces dans l'alimentation humaine tout en préservant l'environnement en limitant l'interaction directe des résidus avec le sol [1]. Un second type de travail tout à fait intéressant pour le secteur agricole, a concerné la mise en place d'outils de détection à base de nanomatériaux (carbone, argent, silice, ...) pour détecter les maladies des plantes pouvant avoir un impact négatif sur le rendement des cultures [2]. Ce type d'outil permettrait de détecter, à un stade précoce, les pathologies et ainsi de définir le protocole de traitement (nutriments ou produits agrochimiques) approprié.

Désormais, comme nous le décrit une étude réalisée par l'université de Floride et l'Institut de Technologie du Massachusetts, les innovations en la matière s'intéressent à de nouvelles applications. Parmi ces dernières, l'activation de la germination et de la croissance des plantes par l'insertion directe de nanoparticules dans les graines ou encore la détection des résidus de pesticides ou d'herbicides par l'usage de nanocapteurs et de nanopuces.

Améliorer la germination des plantes

Une des hypothèses retenue par les scientifiques travaillant dans le domaine des nanotechnologies tient au fait que le taux de germination des graines pourrait être amélioré par l'introduction de nanomatériaux dans la graine des plantes. Il est en effet connu que les nanomatériaux peuvent traverser la paroi des cellules des plantes et ainsi favoriser l'apport de molécules extérieures. Par ailleurs, l'inclusion de nanoparticules de métal permettrait de réduire la production d'ions superoxyde, à partir d'oxygène, ce qui favoriserait la résistance de la plante au stress oxydatif. Plusieurs études ont été menées pour confirmer ou infirmer cette hypothèse.

Ainsi, dans le cadre d'une étude de 2005, menée par une équipe du Département des Sciences de la Vie de l'université de Suzhou en Chine, des nanoparticules de dioxyde de titane (nanoTiO2) ont été intégrées dans des graines d'épinards. Ces nanoparticules étaient susceptibles d'augmenter l'absorption de composés organiques ainsi que d'eau et d'oxygène par la plante et de limiter la formation de radicaux libres produits lors de la photosynthèse. Les résultats ont montré que la plante, après germination, possédait 73% de poids sec supplémentaire, un taux de photosynthèse trois fois plus élevé, et une augmentation de la formation de chlorophylle supérieure de 45% comparativement à une plante non traitée avec ces nanoparticules [3]. Dans le cadre d'une seconde étude, dirigée par une équipe de l'université d'Arkansas en 2009, l'exposition de graines de tomates à des nanotubes de carbones (MWCNT) a permis d'augmenter la germination de la plante de 90% grâce à une pénétration facilitée de l'eau dans la graine de la plante [4]. Enfin, Irina Belozerova, du Département de Biologie du Collège Darwin dans l'état de New-York, a montré dans le cadre de travaux menés en 2009, que les nanoparticules de métal (silicium, palladium, or, cuivre) ont également une influence positive sur la germination de la laitue [5].

Cependant, malgré les résultats positifs qui ont été observés, certains nanomatériaux présentent une phytotoxicité qui reste un élément important à évaluer dans ce type d'expérimentation. Des études ont révélé que selon les quantités de nanomatériaux intégrées aux graines des plantes, des conséquences néfastes sur la croissance pouvaient être observées. Pour exemple, une concentration supérieure à 200mg/l de nano-Zinc inhiberait la croissance des racines du radis, du colza, de l'ivraie, de la laitue, du maïs, et du concombre [6].

Par ailleurs, un second cas à noter concerne les nanoparticules contenant de l'argent, sous forme sphérique. Elles peuvent conduire à la formation d'oxydes ou d'ions d'argent, qui pourraient être phytotoxiques pour les plantes. L'Agence Américaine de Protection de l'Environnement (EPA) apporte actuellement son soutien à des études sur les conditions de cette phytotoxicité au travers d'un programme qui a répertorié en 2010, plus de 100 pesticides possédant des propriétés anti-microbiennes et contenant des molécules d'argent [7].

Les futures recherches concernant la germination des plantes devraient, selon les experts, se concentrer sur la phytotoxicité due à des concentrations élevées. Parmi les autres sujets on trouve le caractère imprévisible de l'action de certains nanomatériaux selon le type de plantes étudié, et l'influence de la taille des nanomatériaux sur le transport des composés organiques et inorganiques et l'activité de photosynthèse.

La détection des résidus de pesticides pour protéger la santé humaine

Environ 1 045 produits chimiques, considérés comme dangereux pour la santé humaine ont été répertoriés par l'Agence Américaine de l'Alimentation et des Médicaments (FDA) [8]. Afin de détecter les résidus potentiels des pesticides, plusieurs programmes ont été menés pour développer des nanocapteurs capables de les détecter en remplacement des méthodes actuelles telles que la chromatographie en phase liquide ou solide et la spectrométrie de masse, qui sont plus longues à mettre en oeuvre. Selon les travaux de Liu et al, menés en 2008 [9], les nanocapteurs présenteraient une sensibilité élevée, des seuils de détection faibles, une bonne sélectivité, et des temps de réponse rapides même sur des particules de petites tailles. Néanmoins, plusieurs questions persistent sur l'efficacité des nanocapteurs telles que leur degré de sensibilité selon les pesticides, leurs techniques de fabrication et d'instrumentalisation, la fiabilité et la répétabilité de la détection des résidus à l'état de traces et les coûts d'analyse.

La détection précoce des agents pathogènes

L'objectif est une détection et une localisation des agents pathogènes présents dans le végétal afin de mettre en place, le plus tôt possible, le traitement adéquat (produit, quantité, ...). Les nanoparticules pourraient être utilisées comme biomarqueurs pour la détection de bactéries, virus et de champignons pathogènes.

Différentes études ont déjà été menées sur ce sujet. Des nanopuces, connues pour leur sensibilité et spécificité à détecter un simple changement de nucléotides ont été analysées pour détecter les réactions d'hybridations. Utilisation est faite de sondes de capture marquées par un composé fluorescent, présentes dans les plantes et signes de la présence d'agents pathogènes [10]. Les nanoparticules d'or sont généralement utilisées pour le développement de capteurs immunologiques, utilisant le principe de la résonance plasmonique de surface par exemple, pour détecter la maladie Tilletia indica (Karnal Bunt ) - maladie due à la présence du champignon Tilletia indica Mitra - au sein du blé [11].

Les orientations des futurs travaux de recherche

La toxicité pour l'écosystème, les résidus potentiels transférés dans les denrées alimentaires, et la phytotoxicité des nanomatériaux sont quelques-unes des préoccupations majeures pour l'application des nanomatériaux dans l'agriculture. Les questions relatives à la santé humaine ont déjà été abordées dans de nombreux travaux de recherche mais il faut cependant compléter ces travaux par l'étude de la toxicocinétique (mouvement des nanomatériaux dans le corps) et de la toxico-dynamique des nanomatériaux (effets chroniques) liés à usage dans la production agricole.

Des données sont encore à analyser sur la caractérisation précise des nanomatériaux dans les matrices biologiques pour une compréhension en profondeur des mécanismes de leur toxicité dans les systèmes biologiques, les interactions des nanomatériaux dans la matrice végétale, les relations dose-réponse, le cycle de vie des produits traités avec des nanomatériaux, les résidus de nanomatériaux dans les aliments et les matrices alimentaires.

Conclusion

Cette analyse de l'utilisation et de l'impact des nanomatériaux dans l'agriculture a porté principalement sur les applications spécifiques des nanomatériaux pour l'agriculture telles que la protection des végétaux, la détection des pathogènes et la détection des résidus de pesticides, entre autres.

Les nouvelles avancées montrent que les applications des nanomatériaux peuvent aider à une germination plus rapide des végétaux (selon le type de plante) avec un impact réduit sur l'environnement. Selon les auteurs des études citées dans cet article, les nanomatériaux, en fonction de leurs caractéristiques telles que leur nature ou leur formulation, devraient idéalement se décomposer plus rapidement dans le sol que dans la plante, ce qui permettrait d'éviter la pollution des sols et de l'environnement tout en présentant une activité au niveau du végétal [12]. En outre, les nanocapteurs pourraient être une option tout à fait intéressante pour détecter les résidus de pesticides directement sur le terrain. Bien que cet examen démontre le potentiel des nanomatériaux pour diverses applications agricoles, une enquête plus approfondie et de nouveaux travaux de recherche sont nécessaires pour élargir les possibilités d'application dans le secteur agricole et déterminer de nouvelles méthodes pour évaluer leur innocuité.

Plusieurs laboratoires de recherche aux Etats-Unis ont développé des compétences, à noter le laboratoire de micro et nanotechnologies de l'université de l'Illinois, le laboratoire des nanotechnologies des sciences spatiales de l'Institut de Technologie du Massachusetts ou le laboratoire de nanotechnologies de l'université de Villanova en Pennsylvanie. Les agences fédérales travaillent également sur ce thème telles que le Service de recherche agricole du Département américain de l'Agriculture (USDA/ARS), le Département américain de la défense (DOD), le Département américain de l'énergie (DOE) ou encore l'Agence américaine de l'alimentation et des médicaments (FDA).

Pour mémoire, les Etats-Unis ont mis en place, depuis l'an 2000, un programme fédéral de R&D destiné à comprendre et contrôler la matière à l'échelle nanométrique, le but étant de "révolutionner les technologies et les industries de demain" : Projet National de Nanotechnologie (National Nanotechnology Initiative - NNI). Vingt-six agences fédérales, dont celles citées précédemment, avec des missions allant de la recherche à la réglementation, participent et financent, en partie, ce programme. De nombreux projets de recherche ont déjà été accomplis par le NNI tels que "L'amélioration de la compréhension des nanotechnologies par la population et ses applications en matière d'agriculture et d'alimentation" ou "De nouveaux nanomatériaux pour la détection d'agents biologiques dangereux dans les aliments" [13]. Le budget fourni par le Gouvernement en 2013 serait de 1,8 milliards de dollars.

SOUCE:

UN MUSCLE ARTIFICIEL À BASE DE NANOTUBES DE CARBONE

Des chercheurs de UT Dallas ("University of Texas in Dallas"), avec leur équipe internationale d'Australie, Chine, Corée du Sud et Brésil, ont réalisé des muscles artificiels particulièrement performants à partir de fils de nanotubes de carbone. Le principe consiste à infiltrer ces fils avec de la cire de paraffine et à les mettre ensuite en torsion jusqu'à ce que des spires se forment tout du long de leur longueur. Les fils acquièrent ainsi une structure hélicoïdale. Dans cette configuration, lorsque ces fils sont soumis à une source de chaleur, la cire qu'ils contiennent se dilate en entraînant une augmentation du volume des fils en même temps que leur contraction en longueur. Lorsque la source de chaleur est stoppée, le fil récupère sa torsion initiale en se refroidissant.

Le muscle ainsi obtenu est capable de fournir des contractions importantes et ultra-rapides, lui permettant de porter plus de 100.000 fois son propre poids, et de générer plus de 85 fois l'énergie mécanique d'un muscle naturel de la même taille. Il peut ainsi porter des charges 200 fois plus lourdes que ce dernier. Si l'on attachait une hélice à ce muscle artificiel, celle-ci pourrait être mise en rotation à une vitesse moyenne de 11 500 révolutions par minute, et ce pour plus de 2 millions de cycles réversibles. Si l'on compare le couple moteur ainsi obtenu par unité de poids, celui-ci est légèrement supérieur à celui des gros moteurs électriques.

Ces performances tiennent en partie aux propriétés exceptionnelles des nanotubes de carbone. Ces fullerènes sont les premiers produits industriels issus des nanotechnologies, connus pour être les matériaux les plus résistants et durs, avec des propriétés de résistances électrique et thermique extrêmement élevées.

Même sans l'ajout de cire, les auteurs de l'étude ont pu montrer que le fait de tordre les fils de nanotubes de carbone suffisait à entraîner une augmentation de leur coefficient d'expansion d'un facteur 10. Ce coefficient d'expansion étant négatif, cela signifie que plus le fil est chauffé, plus il se contracte. L'utilisation de la cire de paraffine présente plusieurs avantages. D'une part sa stabilité thermique est élevée et elle mouille facilement les fils de nanotubes de carbone. D'autre part, ses transitions de phase sont "réglables" (largeurs et température), et le changement de volume associé à ces transitions ainsi qu'à l'expansion thermique de la cire est important. Ainsi, en confinant la cire dans les nano-pores des fils, on obtient une configuration géométrique similaire à un muscle, avec un rapport surface/volume élevé et des conductivités thermiques et électriques importantes, ce qui augmente la vitesse de réponse du muscle.

Les experts précisent cependant que ces muscles artificiels ne sont pas adaptés pour remplacer les muscles du corps humain. La technologie promet par contre de nombreuses applications, grâce à sa simplicité de mise en oeuvre et à sa performance remarquable, telles que la réalisation de robots, cathéters, micro-moteurs, mélangeurs pour les circuits micro-fluidiques, systèmes optiques réglables, micro-valves, positionneurs et même de jouets. En effet, les fils de nanotubes de carbone peuvent être combinés entre eux : mis en torsion, tissés, cousus, tressés et noués ensemble. De plus, la cire peut-être remplacée par un autre matériau ayant la propriété de changer de volume sous certaines conditions si bien que l'activation du muscle peut avoir différentes sources : électrique, chimique ou photonique selon le cas. Toutes ces possibilités permettent le développement d'une grande diversité de matériaux et textiles, intelligents et auto-alimentés.

Dans le cas des fils infiltrés par la cire de paraffine, leur haut coefficient thermique peut être utilisé pour créer un système régulant la température sur une plage étendue de -50°C à +2 500°C. Il est intéressant de noter qu'à une température extrême de +2 500°C, nous ne connaissons pas d'autres actionneurs capables de survivre. Ainsi, on pourrait par exemple imaginer des fenêtres dont l'ouverture dépendrait de la température ambiante. Ou encore des habits dont la taille des pores s'adapterait en fonction de la température extérieure afin de fournir un confort thermique optimal.

Sur le même principe, des fils infiltrés avec un matériau changeant de volume en présence de certains agents chimiques, pourraient permettre d'obtenir une régulation chimique. On réaliserait alors des habits de protection dont les pores se refermeraient en présence des produits chimiques nocifs, par exemple lors d'un incendie. De même, des valves pourraient réguler l'écoulement d'un système selon la présence d'agents chimiques.

Les auteurs de l'étude, qui sont capables de produire des fils de plusieurs km de longueur, attendent une commercialisation rapide de leur technologie, avec la réalisation de petits actionneurs constitués de fils de nanotubes de carbone dont la longueur serait de l'ordre du cm. Le défi principal résidera ensuite dans la réalisation des plus gros actionneurs, mettant en jeu des centaines de milliers de fils individuels fonctionnant en parallèle.

SOURCE: Catherine Marais, Attaché scientifique adjoint, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org

UNE NOUVELLE ARME CONTRE LE CANCER

En cancérologie, la panoplie des nouvelles armes scientifiques et thérapeutiques ne cesse de s’élargir et de s’enrichir et déborde maintenant largement le champ de la biologie pour aller puiser de nouvelles ressources dans les domaines des sciences physiques, mathématiques ou optiques.

Plus de vingt ans après la découverte des nanotubes de carbone, les nanotechnologies commencent enfin à sortir des laboratoires et à révolutionner la lutte contre le cancer, tant dans le domaine de la détection que des nouvelles approches thérapeutiques ciblées.

Il y a quelques semaines, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont présenté un dispositif permettant d’amplifier à l’aide de nanoparticules interagissant avec des protéines spécifiques, des quantités même infinitésimales de biomarqueurs liés à la présence d’un cancer et présents dans l'urine.

Cette avancée permet déjà de révéler avec précision la formation précoce des tumeurs colorectales et s’avère prometteuse pour mesurer la réponse tumorale à la chimiothérapie et détecter les métastases (Voir article Nature).

En octobre 2012, des chercheurs britanniques ont mis au point, pour leur part, un test biologique de nouvelle génération qui permet de dépister directement à l'œil nu un cancer à un stade très précoce !

Ce détecteur se compose de minuscules particules d'or dispersées sur un ruban plastifié qui est utilisé pour analyser la composition biochimique du sang du patient. Si certains marqueurs biologiques spécifiques d’un cancer sont présents dans le sang, même en toute petite quantité, par exemple l'antigène prostatique spécifique (PSA) qui indique la présence d’un cancer de la prostate, les nanoparticules d'or vont immédiatement réagir chimiquement et colorer en bleu le liquide présent dans ce détecteur.

En revanche, si aucun de ces biomarqueurs n’est détecté, les nanoparticules d’or réagiront alors d’une autre façon qui se traduira sur le plan chimique par une coloration rouge du liquide d’analyse. Cette méthode très fiable et peu onéreuse possède une sensibilité dix fois plus grande que les techniques conventionnelles utilisées aujourd’hui.

Comme le souligne Molly Stevens, "Le test est conçu sur des supports plastiques jetables et ne requiert pas d’équipements coûteux puisque la présence de la molécule recherchée peut être détectée tout simplement à l’œil nu" (Voir article Nature).

Mais si les nanotechnologies sont en train de bouleverser les outils de dépistage du cancer, elles commencent également à s’imposer parmi les nouvelles stratégies thérapeutiques les plus prometteuses.

Aux Etats-Unis, en avril 2012, a commencé le premier essai clinique avec des nanoparticules conçues pour transporter jusqu’à la tumeur à détruire de grandes quantités de molécules anti-cancéreuses (Voir article MIT news et article Science).

Selon le Professeur Omid Farokhzad, de l'Université de Harvard, « Cette technique, testée pour la première fois chez l’homme, va bouleverser le traitement du cancer ».

Pour l’instant, une vingtaine de patients atteints de cancer généralisé ont bénéficié de cette nouvelle technique de soins et une majorité d’entre eux ont vu leur cancer se stabiliser ou régresser.

Cette nanothérapie permet, avec une quantité de médicament cinq à dix fois moins importante, d’obtenir les mêmes résultats que ceux observés par les chimiothérapies traditionnelles par voie orale ou en injections.

Cette nanoparticule, baptisée BIND-014, a été développée par la société américaine BIND Biosciences et elle a démontré pour la première fois chez l’homme qu’il était possible de concevoir et d’utiliser des nano-médicaments programmables qui amplifient considérablement l’efficacité des molécules employées contre les tumeurs visées.

Comme le souligne avec enthousiasme le Professeur Philip Kantoff, responsable de la recherche clinique au célèbre Institut du cancer Dana-Farber, « Ces premiers résultats cliniques sur le BIND-014 confirment l’immense potentiel thérapeutique de la nanomédecine dans la lutte contre le cancer ».

Il faut par ailleurs préciser qu’à l’occasion de ces essais cliniques, aucun effet indésirable sévère n’a été constaté et ce traitement est même mieux toléré que le traitement classique à des doses équivalentes.

Une autre équipe de recherche de l’Université de Singapour, dirigée par le Professeur Zhang Yong, travaille également sur une nouvelle technique de traitement optique ciblé du cancer par les nanotechnologies.

L’idée est d’utiliser des nanoparticules capables de convertir la lumière du proche infrarouge en lumière visible ou en lumière ultraviolette. Ces nanoparticules sont conçues pour être acheminées de manière très ciblée, grâce à un guidage par biomarqueurs, jusqu’à la tumeur à détruire. Une fois sur place, ces nanoparticules photodynamiques sont activées à l’aide d’un faisceau infrarouge et vont alors faire exploser les cellules tumorales.

Comme le précise le Professeur Zhang, « Cette technique d’activation par le proche infrarouge est non seulement dépourvue de toxicité pour le malade mais elle est en outre capable de détruire des tumeurs profondes ».

Autre exemple de cette effervescence en matière de nanothérapies anticancéreuses, les travaux du Docteur Stephen Grobmyer, de l’Université de Floride à Gainesville, qui utilise des nanovecteurs pour combattre le cancer du sein.

Ces nanovecteurs enrobent et transportent deux molécules anticancéreuses, le Doxil et l’Abraxane. Grâce à ce « nano-encapsulage » ces médicaments sont bien plus efficaces car ils arrivent jusqu’à la tumeur sans être repérés et dégradés par le système immunitaire du malade.

Au Centre australien de nanomédecine à l'Université de Nouvelles Galles du Sud, à Sydney, des chercheurs ont quant à eux mis au point des nanoparticules qui pourraient améliorer le traitement par chimiothérapie du redoutable neuroblastome.

Ce cancer agressif de l’enfant nécessite des chimiothérapies très lourdes qui provoquent malheureusement des effets secondaires importants. Pour contourner ce problème, les chercheurs australiens ont mis au point des nanoparticules constituées d’un polymère d’environ 20 nanomètres de diamètre qui peuvent être acheminées jusqu’à la tumeur et qui vont alors libérer de l'oxyde nitrique dans les cellules tumorales.

Ainsi fragilisées, ces cellules malignes peuvent alors être détruites avec des doses de chimiothérapie cinq fois moins importantes que celles habituellement utilisées.

En France, une jeune société, Nanobiotix, a mis au point une technologie très innovante du nom de « NanoXray ». Constatant que l’efficacité de la radiothérapie était limitée par sa nocivité pour les tissus situés autour de la tumeur, les chercheurs de Nanobiotix sont parvenus à mettre au point des nanoparticules spécifiques.

Celles-ci sont injectées dans la tumeur à traiter et permettent, grâce à leurs propriétés physiques, d’amplifier jusqu’à 9 fois les effets des rayons X, sans modifier cependant la dose réelle administrée au patient.

Ces nanoparticules viennent de faire l’objet d’une évaluation clinique favorable de la part des autorités médicales et ce traitement pourrait être disponible au niveau mondial d’ici 5 ans et bénéficier à plus d’un million de patients soignés par radiothérapie.

Il faut enfin évoquer les remarquables recherches de Patrick Couvreur, que nous suivons avec enthousiasme depuis de nombreuses années dans notre Lettre.

Ce chercheur du CNRS est devenu, depuis 15 ans, un spécialiste mondialement reconnu des nanotechnologies à finalité médicale. Il procède actuellement à la dernière phase d'essais cliniques d'un nano-vecteur, le squalène, capable d’acheminer de fortes doses de médicament pour détruire plusieurs types de tumeurs. Appliquée à la redoutable tumeur du pancréas, ce nanomédicament transportant de la gemcitabine permet de guérir les deux tiers des souris traitées alors qu’elles meurent toutes en moins de deux mois lorsqu’elles sont soumises à une chimiothérapie classique !

Récemment, ce chercheur infatigable a réussi une nouvelle avancée en associant à ce couple squalènes-anticancéreux, des nanoparticules de fer qui permettent de guider ces missiles anticancéreux jusqu’à la tumeur à l’aide d’un aimant externe et de visualiser en direct par imagerie les effets thérapeutiques de ce nanotraitement.

Ce rapide tour d’horizon des progrès décisifs récents intervenus en cancérologie grâce aux nanotechnologies et aux nanovecteurs nous montre à quel point il est vital que la médecine et la biologie s’ouvrent à l’ensembles des disciplines scientifiques et intègre de nouvelles approches théoriques et conceptuelles venues des sciences physiques et mathématiques mais aussi des sciences humaines pour parvenir à des ruptures décisives dans le combat contre le cancer.

A cet égard, il serait souhaitable qu’un programme ambitieux de recherche spécifiquement orienté sur l’utilisation des nanotechnologies en oncologie, comme le projet européen Nanomed2020 lancé en septembre 2012, soit intégré au volet concernant l’essor de la médecine personnalisée qui constitue l’une des cinq grandes priorités inscrites dans le troisième plan Cancer portant sur la période 2014-2018, qui vient d’être présenté le 4 décembre dernier par le président de la République.

Mais ne nous y trompons pas : ce qui est vrai pour le cancer le sera également demain pour d’autres défis de santé publique comme les maladies neurodégénératives, les bactéries multirésistantes ou les nouveaux virus. C’est pourquoi il est si important de réfléchir à une réorganisation profonde de notre recherche clinique et fondamentale, tant au niveau national qu’européen, afin de mieux favoriser, dés le début du cycle d’études universitaires, cette fertilisation réciproque et cette synergie très féconde entre disciplines scientifiques.

SOURCE: René TRÉGOUËT - Sénateur Honoraire - Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

NOUVEAU CATALYSEUR "VERT" À BASE DE NANOPARTICULES DE FER.

Une équipe de chimistes de l'Université de Toronto a découvert un catalyseur à base de nanoparticules de fer respectueux de l'environnement. Ce catalyseur serait aussi efficace que les catalyseurs chers et toxiques actuellement utilisés à grande échelle par l'industrie pharmaceutique, l'industrie du parfum et l'industrie alimentaire.

Les travaux de cette équipe concernant le mécanisme de transfert d'hydrogénation en utilisant le trans- [Fe (NCMe) CO (PPh2C6H4CH=NCHR-)2] [BF 4]2, où R = H [1] ou R = Ph [2] (à partir de R, R-dpen ), permettent de penser que les espèces actives dans cette catalyse sont des nanoparticules de fer (NP Fe) fonctionnalisées. Cette déclaration est supportée par des techniques in operando comme l'étude cinétique de la période d'induction lors de la catalyse ainsi que des expériences "d'empoisonnement" en utilisant des quantités stoechiométriques de différents agents d'empoisonnement. De plus, divers techniques d'imagerie et d'analyses (STEM, EDX, XPS, SQUID, analyse de solutions catalytiques) ont permis de confirmer la présence des nanoparticules de fer. Une indication supplémentaire de l'action catalytique du NP Fe fut apportée par une expérience de substrat polymère soutenu. Finalement, une expérience combinée "empoisonnement / STEM / EDX" a montré que l'agent empoisonnement est lié aux NP Fe.

Selon les auteurs de l'étude qui a été publiée dans Journal de l'American Chemical Society (J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 [13], pp 5893-5899), leur recherche fournit un exemple rare de catalyse asymétrique avec des nanoparticules d'un métal non précieux à valence nulle.

Enfin, les auteurs de cette recherche soulignent en particulier que leur découverte est non seulement beaucoup moins toxique, mais elle est aussi beaucoup plus rentable que les catalyseurs présents sur le marché, rendant celle-ci très attractive pour les industries du secteur.

SOURCE:

Article "Iron Nanoparticles Catalyzing the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones" paru sur le site internet de: Journal of American Chemistry Society: http://redirectix.bulletins-electroniques.com/XFx2y

DES NANO-OREILLES POUR ÉCOUTER DES CELLULES, DES BACTÉRIES ET DES VIRUS

Un million de fois plus sensible qu'une oreille humaine, ce microphone invisible à l'œil nu, formé par une particule d'or portée par des faisceaux laser, permettrait d’écouter les bruits émis par des cellules, des bactéries ou des virus. Les écouter donnerait accès à un univers sonore inconnu et offrir un nouveau moyen de les étudier. En médecine, on pourrait par exemple écouter les globules rouges...

L’utilisation de la technologie laser est la source de nombreuses innovations dans les domaines de l'étude du vivant et des nanotechnologies. L’une d’elles a révolutionné la biologie moléculaire. Il s’agit des pinces optiques dont le concept est né en 1986. Un faisceau lumineux monochrome produit par un laser de faible puissance peut maintenir une particule diélectrique en place ou la déplacer sans aucun contact. Les pinces optiques sont communément employées pour injecter puis manipuler de l’ADN à l'intérieur de cellules vivantes.

Elles peuvent également être utilisées pour mesurer des forces agissant sur des corpuscules microscopiques (exprimées en piconewtons). Une fois capturées dans le faisceau lumineux, des instruments peuvent mesurer leurs mouvements éventuels et donc les forces qu’elles subissent.

Le son, lui, a besoin de matière pour se propager. Il provoque des déplacements d’avant en arrière des particules qu’il rencontre dans les milieux qu’il traverse. Pour détecter une onde sonore, il faut donc mesurer ces mouvements d’aller-retour, par exemple sur une particule d’or de 60 nm de diamètre maintenue dans une pince optique. Ce concept a donné naissance aux nano-oreilles développées par Jochen Feldmann et son équipe du groupe de photonique et d’optophotonique de l’université de Munich en Allemagne. Leurs travaux sont publiés dans Physical Review Letters.

Nanophones ultrasensibles et directionnels
Ce système de microphones, ou plutôt de nanophones, est un million de fois plus sensible que l’oreille humaine. Il a enregistré des sons jusqu'à -60 dB. Il est aussi directionnel. En faisant passer plusieurs faisceaux laser sur une seule particule, les mouvements vibratoires sont observables en trois dimensions. La direction de propagation du son peut être connue. En utilisant un réseau tridimensionnel de particules d’or maintenues par des faisceaux distincts, il serait possible de déterminer avec précision l’origine du son.

Cette technologie autoriserait l’écoute et l’identification des vibrations acoustiques émises par des cellules, des bactéries ou encore des virus durant leurs déplacements ou leur respiration. Une nouvelle discipline de microscopie acoustique pourrait donc voir le jour. Les méthodes actuelles s'appuient sur le principe des ultrasons médicaux pour voir à l'intérieur de la matière à l’échelle micrométrique. L'emploi des pinces optiques permettrait l’étude non destructive de l’intérieur même des cellules à une échelle pouvant être nanométrique, là où aucune autre technique d'observation n’est utilisable. Il serait par exemple possible de comparer les sons émis par des cellules saines et des cellules malades.

Les applications médicales, bien que prometteuses, n’ont pas encore vu le jour. L’équipe de scientifiques a uniquement réalisé des tests sur des particules d’or en suspension dans de l’eau. Les mouvements d'un corpuscule maintenu par une pince optique ont pu être enregistrés et analysés tandis que d'autres sphères d'or étaient mises en vibration. Les chercheurs ont fait varier les fréquences des vibrations afin de s'assurer qu'ils enregistraient bien le son voulu et non des mouvements de l'eau.

Ils restent optimistes quant à une évolution rapide du procédé vers une application médicale. Les configurations expérimentales doivent cependant être affinées afin de pouvoir discriminer efficacement les nombreux sons qu'une cellule peut produire. Certains se passionnent pour les chants de baleine, d’autres pourront dorénavant se distraire avec les chants de micro-organismes !

SOURCE: Futura Sciences

LA TOMOGRAPHIE OPTO-ACOUSTIQUE UTILISÉE POUR ÉTUDIER LES EFFETS NÉGATIFS DES NANOTECHNOLOGIES SUR LE VIVANT

Une technique de tomographie opto-acoustique de pointe pour l'étude des potentiels effets négatifs des nanotechnologies sur le vivant. A l'heure où les nanotechnologies atteignent un stade industriel ou pré-industriel, la question des risques liés à leur utilisation pour la santé et l'environnement devient de plus en plus cruciale. En effet, ces effets ne sont que partiellement connus. Plusieurs études épidémiologiques ont déjà prouvé par le passé qu'il existait un impact des particules fines et ultrafines de l'atmosphère (poussières de provenances variées) sur la santé, en provoquant des réactions respiratoires et cardiovasculaires chez une partie significative de la population. Les scientifiques soupçonnent ainsi qu'il pourrait en être de même pour les nanoparticules manufacturées.

Depuis ces quinze dernières années, les progrès des nanotechnologies ne cessent d'augmenter, si bien que la commercialisation des nanomatériaux manufacturés pourrait exploser dans les prochaines années. Des produits que nous utilisons quotidiennement intègrent déjà ces nanoparticules à leur composition, notamment dans les secteurs du cosmétique, du textile, mais aussi dans les produits électroniques et informatiques, l'alimentation, des produits d'entretien et plus encore. Il devient ainsi essentiel de se donner les moyens d'étudier plus précisément les risques potentiels liés à l'injection de nanoparticules dans le vivant.

C'est l'objectif que s'est donnée l'entreprise de R&D "Tomowave Laboratories" pour les six prochains mois à venir, projet pour lequel ils ont récemment obtenu des subventions du "National Institute of Environmental Health Sciences".

La technologie opto-acoustique

La technologie opto-acoustique de pointe constitue le coeur des travaux de recherche des laboratoires TomoWave, dont l'objectif principal est d'aider le transfert des travaux de recherche autour de cette technique vers les applications cliniques et pré-cliniques, en passant par une vaste collaboration avec les professionnels du biomédical, des entreprises et des institutions. Ils développent ainsi des systèmes pour l'imagerie, la détection et la surveillance en biomédecine.

La technologie opto-acoustique utilise à la fois le son et la lumière pour sonder l'intérieur d'un échantillon d'études, afin d'en révéler ses structures. Elle permet en particulier de sonder des environnements troubles, tels que les tissus du corps humain, et combine la précision de la spectroscopie avec la résolution en profondeur des ultrasons.

Le principe de base consiste à envoyer des pulse-lasers (proches infrarouges) sur l'échantillon d'étude. Le tissu irradié absorbe localement une partie de l'énergie de ces pulses, ce qui entraîne un réchauffement local via l'effet photoélectrique (conversion de l'énergie des photons en énergie cinétique). Il en résulte une expansion locale avec génération d'ondes de compressions (ultrasons), qui se propagent dans le milieu à la vitesse du son, et peuvent être enregistrées via des capteurs de pression haute fréquence. La lenteur du son dans les tissus (~1500 m/s) par rapport à la vitesse de la lumière permet d'obtenir une détection résolue dans le temps de ces ondes de pression et de déterminer précisément la profondeur à laquelle les ondes ont été générées.

En mesurant les ondes acoustiques à différentes fréquences avec un réseau de détecteurs adapté, un spectre opto-acoustique peut être obtenu et corrélé en trois dimensions avec la surface du tissu d'étude. De plus, si l'on choisit certaines longueurs d'onde qui permettent de cibler des tissus spécifiques, cette méthode peut fournir une image extrêmement bien contrastée et d'excellente résolution des structures isolées. Ces images peuvent cependant être encore améliorées par l'ajout d'agents de contrastes opto-acoustiques (i.e l'ajout de substances dans les tissus d'études, qui s'attachent spécifiquement sur les structures d'intérêt et absorbent mieux l'énergie lumineuse des pulses-lasers).

De nouveaux agents de contrastes développés aux laboratoires TomoWave

Afin d'améliorer leurs dispositifs basés sur l'imagerie opto-acoustique, les chercheurs des laboratoires TomoWave développent de nouveaux agents de contrastes, à base de nanotiges d'or, qui ont un fort pouvoir absorbant dans le proche infrarouge : jusqu'à 1.000 fois celui de n'importe quel colorant organique à la même concentration.

La combinaison de leur technique opto-acoustique avec ces agents de contrastes devrait leur permettre d'obtenir la méthode la plus précise à ce jour, pour la détection de nanoparticules in vivo, présentes même en quantité infimes, et à des profondeurs considérables dans les tissus biologiques.

Dans cette perspective, ils travaillent donc à la synthèse, à la purification et à la combinaison de ces nanotiges d'or avec différentes molécules biologiques, afin d'en contrôler précisément les propriétés et de pouvoir les intégrer dans les différentes applications médicales. Ainsi, ils seront capables de proposer des agents de contrastes pour la détection de haute précision de molécules cible : la combinaison de ces nanotubes d'or avec des peptides et anticorps bien choisis doit permettre une sélection précise et efficace des biomolécules cibles, tout en évitant les interactions avec le système immunitaire et en assurant un temps de circulation suffisamment long dans les tissus.

D'ici quelques mois, le financement que les chercheurs ont obtenu pour l'étude des risques liés à l'introduction des nanoparticules dans le corps devrait leur permettre d'optimiser les dispositifs opto-acoustiques, lesquels pourront alors être commercialisés dans un second temps. Ils pourraient alors remédier aux méthodes actuelles de détection des nanoparticules (basées sur la résonance magnétique ou les scans aux rayons x) qui sont encore trop chères et pas suffisamment précises pour détecter les nanoparticules de métal et de carbone.

SOURCE:

1] Site du National Nanotechnology Initiative : http://www.nano.gov/you/environmental-health-safety

André Conjusteau, chercheur aux "TomoWave Laboratories"