Les nanoparticules « velues » fabriquées avec des matériaux sensibles à la lumière qui s'assemblent pourraient un jour devenir des « nano-transporteurs », offrant aux médecins une nouvelle façon d'introduire simultanément des médicaments thérapeutiques et de la chaleur anticancéreuse dans les tumeurs. C'est une application potentielle pour une nouvelle technologie qui combine des matériaux hydrofuges mais sensibles à la lumière et absorbant l'eau dans des nanoréacteurs polymères pour créer des nanoparticules d'or photosensibles.

La lumière de longueurs d'onde spécifiques provoque l'assemblage et le désassemblage des nanoparticules à la demande, permettant l'organisation dynamique des nanoparticules pour une libération intelligente de médicaments in vitro. En incluant des molécules de chimiothérapie dans les structures nanoparticulaires lors de leur assemblage, les molécules pourraient être attirées dans les tumeurs – puis libérées avec l'application d'une lumière à une longueur d'onde plus courte qui déclenche le désassemblage par photo-clivage.

En plus d'un tel auto-montage et démontage dynamique, l'encapsulation et la libération de molécules de chimiothérapie pourraient également être obtenues par une liaison covalente réversible de médicaments anticancéreux aux « poils » polymères situés à la surface des nanoparticules. Et en absorbant la même lumière qui déclenche la libération du médicament, les nanoparticules d'or pourraient également chauffer les cellules cancéreuses, fournissant un double coup de poing.

Dans une large gamme d'autres applications, le processus d'auto-assemblage des nanoparticules pourrait également être déclenché par des facteurs environnementaux, notamment la température, pH ou polarité du solvant en concevant rationnellement les poils polymériques. Dans cette étude, des nanoparticules d'or ont été utilisées, mais le processus pourrait également fabriquer des nanoparticules auto-assemblées à partir d'une variété de métaux et d'oxydes métalliques. En adaptant la surface des nanoparticules avec des polymères absorbant l'eau contenant des composants sensibles au proche infrarouge, la libération du médicament pourrait être effectuée in vivo.

Les nanoparticules d'or sphériques peuvent être remplacées par des nanomatériaux de forme plus complexe - tels que des nanoparticules creuses, nanotiges, ou nanotubes – pour une meilleure absorption de la lumière proche infrarouge pour pénétrer dans les tissus biologiques. Aucun test de ces nanoparticules n'a été fait jusqu'à présent dans des cellules ou des organismes vivants.

La recherche a été soutenue par l'Air Force Office of Scientific Research et la National Science Foundation, et a été rapporté le 31 janvier dans la première édition du journal Actes de l'Académie nationale des sciences . Des scientifiques des matériaux de l'Institut de technologie de Géorgie et de l'Université de technologie de Chine du Sud ont co-écrit l'article.

"Nous envisageons que ces nanoparticules d'or coiffées d'un polymère photosensible pourraient un jour servir de nano-supports pour l'administration de médicaments dans le corps en utilisant notre processus robuste et réversible pour l'assemblage et le démontage, " dit Zhiqun Lin, professeur à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Utilisé dans le traitement du cancer, ce processus pourrait augmenter l'impact d'un traitement en chauffant les cellules cancéreuses tout en introduisant le composé médicamenteux dans la tumeur."

Sous la lumière, les assemblages de nanoparticules photosensibles se séparent en quelques heures à une vitesse contrôlable par l'intensité et la longueur d'onde de la lumière. "Parce que le démontage peut être activé et désactivé à volonté, nous pourrions fournir une libération programmée du médicament en contrôlant l'exposition à la lumière à courte longueur d'onde, " ajouta Lin.

Les nanoparticules poilues sont fabriquées autour d'un minuscule noyau de bêta-cyclodextrine à partir duquel des chaînes polymères de poly(acide acrylique)-bloc-poly(7-méthylacryloyloxy-4-méthylcoumarine) (PAA-b-PMAMC) sont cultivées. Ce matériau attire les précurseurs métalliques solubles dans l'eau, qui utilisent l'espace dans les poils de polymère comme nano-réacteurs pour former des nanoparticules d'or.

A ces structures internes – qui sont des polymères PAA hydrophiles – les chercheurs ajoutent des poils fabriqués à partir du monomère hydrophobe MAMC. Ces matériaux sont sensibles à la lumière, et provoquent l'auto-assemblage des nanoparticules par un processus de photo-dimérisation - la réticulation - lorsqu'elles sont soumises à une lumière à une longueur d'onde de 365 nanomètres.

Le processus d'assemblage peut être inversé de manière fiable à la demande en utilisant une longueur d'onde plus courte à 254 nanomètres.

"Une fois que les chaînes polymères des nanoparticules d'or adjacentes commencent à se photoréticuler, ils rassemblent des nanoparticules via un processus d'auto-assemblage pour générer de grands assemblages de nanoparticules, " a déclaré Lin. "Ce processus est complètement réversible et peut être répété en plusieurs cycles."

L'équipe de recherche a incorporé des molécules de colorant dans les nanoparticules auto-assemblées pour simuler ce qui pourrait être fait pour incorporer puis libérer des agents de chimiothérapie. Un matériau d'oxyde magnétique incorporé dans les nanoparticules pourrait permettre aux assemblages d'être dirigés vers un site tumoral par un aimant externe, et pourrait également prendre en charge l'imagerie diagnostique.

Au-delà de l'activité des médicaments, les effets plasmoniques des nanoparticules d'or pourraient chauffer les nanoparticules lorsqu'elles sont soumises à la lumière, attaquer les cellules cancéreuses par une seconde voie.

En plus des utilisations médicales potentielles, la technique d'auto-assemblage pourrait avoir des applications en optique, optoélectronique, technologies magnétiques, matériaux et dispositifs de détection, catalyse et nanotechnologie. La technique pourrait également conduire à de nouvelles recherches fondamentales en cinétique de cristallisation, en utilisant le processus d'auto-assemblage pour créer des "cristaux artificiels" maintenus ensemble par des chaînes polymères.

Le laboratoire de Lin a travaillé sur les polymères séquencés amphiphiles en forme d'étoile pendant plusieurs années, l'ajout de nouvelles fonctionnalités et l'exploration de nouvelles capacités pour les systèmes de nanoparticules.

"Notre travail fournit une stratégie de conception qui permet la manipulation à la fois du bloc externe et du bloc interne d'un copolymère bloc en forme d'étoile, ", a-t-il déclaré. "Notre contribution fondamentale dans ce travail est de préparer judicieusement un copolymère séquencé en forme d'étoile dans lequel le bloc interne a la capacité de se coordonner avec des précurseurs métalliques tandis que le bloc externe permet aux matériaux photosensibles d'interagir, ce qui à son tour rend la fabrication de nanoparticules d'or photosensibles pour un auto-assemblage réversible et fiable à la lumière."