Une équipe de scientifiques de la Penn State University a inventé un nouveau système qui utilise le magnétisme pour purifier des nanoparticules hybrides - des structures composées de deux ou plusieurs types de matériaux dans une particule extrêmement petite qui n'est visible qu'au microscope électronique. Les chefs d'équipe Mary Beth Williams, professeur agrégé de chimie, et Raymond Schaak, professeur de chimie, a expliqué que la méthode jamais essayée auparavant aidera non seulement les scientifiques à éliminer les impuretés de ces particules, cela aidera également les chercheurs à distinguer les nanoparticules hybrides qui semblent être identiques lorsqu'elles sont observées au microscope électronique, mais qui ont un magnétisme différent - un grand défi dans la recherche récente sur les nanoparticules. Le système promet d'aider à améliorer les systèmes de distribution de médicaments, technologies de ciblage des médicaments, technologies d'imagerie médicale, et les dispositifs électroniques de stockage d'informations. L'article sera publié dans la revue Agewandte Chemie et est disponible sur le site Web en ligne de la revue.

Schaak a expliqué que la purification des nanoparticules hybrides représente un énorme défi, en particulier lorsque les nanoparticules sont conçues pour un usage humain - par exemple, pour l'administration de médicaments ou comme alternative aux colorants de contraste pour les patients subissant des études IRM. "Le problème est que bien que les molécules soient synthétisées et purifiées à l'aide de méthodes bien connues, il n'y a pas eu de méthodes analogues pour purifier les nanoparticules, " a déclaré Schaak. " Les particules hybrides sont particulièrement difficiles car les méthodes utilisées pour les fabriquer laissent souvent des impuretés qui ne sont pas facilement détectées ou éliminées. Les impuretés peuvent modifier les propriétés d'un échantillon, par exemple, en les rendant toxiques, C'est donc un défi majeur de trouver des moyens d'éliminer ces impuretés."

L'équipe a combiné ses forces pour trouver un moyen de purifier les nanoparticules hybrides. "Nous devions trouver un moyen de séparer les impuretés des nanoparticules cibles, même lorsque ces particules sont de taille et de forme similaires, en raison des conséquences potentiellement très importantes des impuretés sur l'utilisation finale des nanoparticules, C'est exactement ce que fait le nouveau système de l'équipe. La technique innovante utilise les composants magnétiques des nanoparticules pour les distinguer et séparer les impuretés des structures de nanoparticules cibles.

"Notre méthode utilise des champs magnétiques pour ralentir le flux de particules à travers de minuscules tubes de verre appelés capillaires, " expliqua Williams. " Nous utilisons un aimant pour attirer les particules magnétiques contre la paroi du tube et, lorsque le champ magnétique est réduit, les particules s'écoulent du capillaire. Le magnétisme augmente à mesure que le volume des particules augmente, des changements si petits et graduels dans le champ magnétique nous permettent de nous séparer lentement et de distinguer les nanoparticules sur la base de différences magnétiques et structurelles, même infimes."

L'article de l'équipe montre comment les champs magnétiques peuvent être utilisés pour séparer et distinguer les nanoparticules hybrides dans un mélange de structures et de formes légèrement différentes. Dans un exemple, les chercheurs ont séparé "les nano-fleurs, " ainsi nommé en raison de leur disposition en forme de pétale autour d'un noyau solide, à partir de particules de forme sphérique. Williams a expliqué que le magnétisme des particules dépend de leur forme, de sorte que des particules de forme différente adhèrent à la paroi capillaire lorsque différents champs magnétiques sont appliqués, permettant ainsi aux chercheurs de distinguer les différentes particules.

Dans un autre exemple du journal, les chercheurs ont montré comment la méthode du champ magnétique peut être utilisée avec une classe de nanoparticules surnommées « nano-olive, " qui est une particule sphérique composée de deux matériaux différents réunis dans une forme rappelant une olive. Les nano-olives, qui sont composés de fer, platine, et de l'oxygène, peut se ressembler, mais ils peuvent avoir des compositions internes légèrement différentes qui sont impossibles à détecter au microscope. "Par exemple, certains peuvent avoir plus de fer, " a expliqué Schaak. " C'est une propriété que nous pouvons utiliser pour la purification avec notre méthode car ces nanoparticules sont un peu plus magnétiques. Ils adhèrent plus facilement aux parois des tubes capillaires, tandis que plus de particules magnétiquement faibles s'écoulent."

La nouvelle méthode de purification et de séparation a de nombreuses applications, en particulier dans les domaines de la médecine et du diagnostic. Par exemple, les nanoparticules pourraient être utilisées à la place du colorant de contraste lorsque les patients subissent des études d'imagerie par IRM. De telles particules pourraient être utilisées pour suivre où un médicament voyage dans le corps humain. "Certains patients sont allergiques aux colorants de contraste traditionnels, les nanoparticules offrent donc une alternative prometteuse, ", a déclaré Williams.

Williams a également expliqué que l'un des rêves très futuristes de la recherche sur les nanoparticules est qu'elles pourraient un jour être utilisées pour améliorer les médicaments anticancéreux. "Malheureusement, les médicaments de chimiothérapie ne font pas de discrimination :ils attaquent les tissus sains, ainsi que des tissus cancéreux, " a déclaré Williams. " Si nous pouvions utiliser la technologie des nanoparticules pour manipuler exactement où vont les médicaments, quel tissu ils attaquent, et qu'ils laissent tranquille, nous pourrions réduire considérablement certains des effets secondaires néfastes de la chimiothérapie, comme la chute des cheveux et les nausées. Mais pour ce faire, nous devons être capables de séparer les impuretés des nanoparticules pour les rendre sûres pour un usage médical. C'est là qu'intervient cette nouvelle technologie."

Outre Williams et Schaak, les autres membres de l'équipe de recherche incluent Jacob S. Beveridge, Matthew R. Buck, et James F. Bondi du Département de chimie de Penn State; et Rajiv Misra et Peter Schiffer du Département de physique et du Materials Research Institute de Penn State.