Les structures métallo-organiques vues au microscope électronique sont constituées de cristaux qui forment ensemble des structures multidimensionnelles avec de vastes surfaces. Crédit :CSIRO/ Dr Paolo Falcaro, Dr Dario Buso, sous licence CC BY 3.0 (couleur changée)
Certains matériaux ne sont pas spéciaux pour ce qu'ils contiennent, mais pour ce qu'ils ne contiennent pas. C'est le cas des structures métallo-organiques (MOF) - des structures ultra-poreuses qui sont développées pour une variété d'applications futures allant de l'ignifugation à l'administration de médicaments.
Les MOF sont, En réalité, les matériaux les plus poreux connus de l'humanité. Une charpente métallo-organique, soi-disant NU-110, a une surface si grande qu'un seul gramme pourrait être déplié pour couvrir un terrain de football et demi.
Cette immense surface interne est le résultat des composants atomiques - des atomes de métal liés entre eux par des molécules organiques, formant une structure en forme de cage. C'est en bricolant la chimie de ces cages, et en insérant différents objets à l'intérieur, que les scientifiques sont capables d'envisager tant d'applications différentes.
"Par un choix judicieux des métaux et des molécules de liaison, il existe un grand nombre de matériaux pouvant être préparés avec des propriétés conçues pour des besoins spécifiques, " a déclaré le Dr Ross Forgan de l'Université de Glasgow au Royaume-Uni, qui explore des structures métal-organiques pour l'administration de médicaments contre le cancer.
Ciblage actif
La plupart des agents chimiothérapeutiques finissent par affecter les tissus sains ainsi que la tumeur, d'où les effets secondaires bien connus des nausées, dommages aux reins et perte de cheveux. Pour essayer de résoudre ce problème, certains traitements de «ciblage passif» sont basés sur des nanoparticules afin de capitaliser sur le fait que les tumeurs sont meilleures que les cellules normales pour retenir les nanoparticules.
L'objectif du Dr Forgan est d'aller encore plus loin et de cibler activement les tumeurs. Les médicaments anticancéreux peuvent être chargés dans des structures métallo-organiques, tandis que les MOF eux-mêmes peuvent être conçus pour s'accrocher spécifiquement aux tumeurs.
Le ciblage actif signifie que tous les médicaments se retrouvent à la porte d'une tumeur, générant ainsi moins d'effets secondaires. Cela signifie également que les médecins peuvent appliquer des traitements médicamenteux qui sont généralement trop puissants pour être envisagés.
"Les charpentes métallo-organiques ne s'accumulent pas, " a déclaré le Dr Forgan. " Une fois qu'ils ont livré leur cargaison, ils vont s'hydrolyser (se décomposer), démontage en leurs composants métalliques et de liaison, qui peut être choisi pour être totalement non toxique."
Actuellement, Le Dr Forgan et ses collègues développent la chimie des charpentes métallo-organiques, en utilisant l'ADN et d'autres molécules, pour les faire s'accrocher aux tumeurs. Pendant ce temps, ils développent des méthodes pour faire les MOF qui sont rapides, réglable et reproductible - toutes les exigences clés pour les tests cliniques.
Les MOF pourraient améliorer le ciblage actif dans le traitement du cancer, ce qui réduirait les effets secondaires. Crédit :Dr Ross Forgan de l'Université de Glasgow
Coup de pouce 100 fois
Cette année, ils ont fait une découverte cruciale :que la cytotoxicité, ou l'efficacité, des médicaments anticancéreux est en grande partie déterminé non par leur quantité, mais par le mécanisme spécifique par lequel elles sont reprises. En réalité, L'ajustement de ce mécanisme avec des structures métallo-organiques a permis aux chercheurs de multiplier par 100 environ la cytotoxicité de molécules anticancéreuses simples.
Les cadres métallo-organiques ont été présentés comme des sauveurs pour presque tout. Potentiellement, ils pourraient stocker de l'hydrogène pour la production d'électricité propre, effectuer une photosynthèse artificielle et même détecter des armes chimiques.
A l'Institut des Matériaux IMDEA de Madrid, Espagne, Le professeur De-Yi Wang explore une application potentiellement plus répandue :l'ignifugation. Les matériaux ignifugeants actuels sont à base de molécules organiques contenant du phosphore et, bien qu'efficace, ceux-ci sont mauvais pour l'environnement et ont tendance à compromettre la rigidité des surfaces sur lesquelles ils sont appliqués.
D'autre part, une charpente métallo-organique peut effectivement améliorer les propriétés mécaniques d'une surface. Il peut également contenir un composé ignifuge, mais en utiliser moins pour générer la même protection.
"Nous pouvons améliorer l'ignifugation d'une manière plus respectueuse de l'environnement, sans sacrifier les performances mécaniques – ni même les améliorer, " a déclaré le professeur Wang. Lorsque son cadre métal-organique ignifuge est exposé au feu, Le professeur Wang explique, au lieu de le graver simplement des caractères, protéger tout ce qui se trouve en dessous.
Instable
Jusque là, si bon. Mais des problèmes subsistent, comme le fait que les charpentes métallo-organiques ne sont pas très stables dans l'eau - un problème si, par exemple, les scientifiques veulent les incorporer dans l'eau, peintures ignifuges. Le professeur Wang pense que la réponse pourrait être de recouvrir les structures métallo-organiques de tensioactifs - le détergent étant un exemple courant - pour les aider à se stabiliser et à se mélanger à l'eau.
La bonne nouvelle est que les MOF particuliers qu'utilisent le professeur Wang et ses collègues peuvent déjà être fabriqués rapidement et en grandes quantités, ce qui signifie qu'une voie à faible coût vers l'industrialisation semble réalisable.
"De nombreux types de polyester thermo-plastique dans notre vie quotidienne pourraient être dotés de propriétés ignifuges et d'autres fonctions, telles que les propriétés mécaniques renforcées, " il a dit.
