03 mai 2012
NANO SPIN DOCTORS

Approche «top-down» développée à Spintec :
particules antiferromagnétiques de taille
1x1x0,12μm, nanofils magnétorésistifs multicouches
de 100nm de diamètre, nanoparticules
de formes complexes et nano-nageurs.

Spintec vient de mettre au point une nouvelle méthode pour fabriquer des nanoparticules magnétiques pour les applications biomédicales. Cette méthode tire parti du savoir-faire du laboratoire dans le domaine de la spintronique et permet un contrôle de la taille, de la forme et de la composition des particules qui ont des performances supérieures à celles obtenues par voie chimique.

 

L’utilisation de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées et greffées sur des objets cibles ouvre des perspectives extrêmement prometteuses dans le domaine biomédical. Par exemple : trier des espèces biologiques par application d’un gradient de champ magnétique, délivrer des médicaments de manière ciblée près d’une tumeur, guider la croissance d’axones avec comme objectif la réparation de tissus cellulaires… Les nanoparticules magnétiques les plus courantes, les sphères de magnétite Fe3O4, sont réalisées par voie chimique. L’utilisation de ce matériau superparamagnétique permet d’éviter leur agglomération en solution (voir encart). Cette approche permet d’obtenir des gros volumes à des coûts relativement bas. Cependant, il est impossible de choisir avec précision la forme ou la taille des particules et la dispersion de leurs dimensions est importante.

 

De la spintronique à la thérapeutique

 

L’approche « top-down » développée à Spintec permet de s’affranchir de ces problèmes et de s’attaquer à des applications à haute valeur ajoutée qui ne pourraient pas être envisagées avec les particules traditionnelles. Nos particules sont réalisées sur des substrats pré-structurés : une couche de résine est déposée sur le substrat et gravée en un réseau de plots de forme et de taille déterminée par lithographie ou nano-impression. Les nanoparticules sont alors réalisées par dépôts magnétiques sur ces plots. Elles peuvent ensuite être fonctionnalisées pour l’application voulue et libérées en solution par lift-off (dissolution de la résine). Une seconde étape de fonctionnalisation est alors possible. En plus de la possibilité de choisir la forme et la taille des particules avec précision, cette méthode permet de réaliser des empilements magnétiques complexes. Il est ainsi possible de réaliser des antiferromagnétiques synthétiques (voir encart), « actionnables » avec des champs magnétiques de quelques mT, 100 fois plus faibles que pour la magnétite.

 

Fort de ce savoir-faire, le laboratoire explore actuellement dans le cadre de trois thèses plusieurs applications originales.

• Une collaboration avec le SPrAM et le SCIB vise à provoquer le suicide de cellules cancéreuses (apoptose) en faisant vibrer les nanoparticules fonctionnalisées accrochées à leurs membranes par un champ magnétique alternatif.

• La technologie employée permet également de fabriquer des nanoparticules originales complexes, comme des nano-nageurs, sous forme de structures mécaniquement souples dont la déformation est contrôlée à l’aide d’un champ magnétique. Ils seront capables de se propulser en solution sous l’effet d’un champ magnétique variable en s’inspirant d’organismes nageurs vivants de dimensions comparables, comme certaines bactéries.

• Des nano-pinces dont l’ouverture et la fermeture seront commandées par l’application d’un champ magnétique sont également développées. Ces pinces, fonctionnalisées avec l’aide du SPrAM, auront la capacité de manipuler des espèces biologiques par capture, déplacement et relargage. La technologie microfluidique nécessaire est développée avec le CNRS/LTM. Elles pourront ainsi servir aussi bien in vitro pour assurer une fonction avancée de tri, qu’in vivo pour réaliser des nano-biopsies. Nous pourrons aussi utiliser ces nanopinces pour effectuer des mesures de forces sur des complexes biologiques.

 

Superparamagnétisme et antiferromagnétique de synthèse

 

matériau acquiert une aimantation M proportionnelle à l’excitation. Le rapport entre M et H est appelé susceptibilité. Une susceptibilité positive correspond à un matériau paramagnétique, une susceptibilité négative à un matériau diamagnétique. Les matériaux ferromagnétiques ont pour propriété de conserver leur aimantation une fois l’excitation supprimée. Ceci résulte du couplage entre les spins qui tendent à s’aligner parallèlement. Lorsqu’un matériau ferromagnétique est de taille suffisamment petite, l’énergie qui maintient l’aimantation fixe sur un axe d’anisotropie devient faible face aux perturbations thermiques. L’aimantation perd sa stabilité, et prend des directions aléatoires, apparaissant nulle sur des temps d’observation à l’échelle humaine. On parle de superparamagnétisme. Des nanoparticules superparamagnétiques n’ont donc pas tendance à s’agglomérer en solution en l’absence de sollicitation. Elles peuvent être aimantées et manipulées par un champ magnétique, mais le champ de saturation est de l’ordre du tesla.

 

Notre technique consiste à utiliser des particules composées d’un antiferromagnétique de synthèse, constitué de deux couches ferromagnétiques d’alliage fer-nickel couplées antiparallèlement, et séparées par une fine couche non magnétique de ruthénium. Cet empilement mime le comportement superparamagnétique : l’aimantation globale est nulle. Mais les valeurs de susceptibilité et d’aimantation sont beaucoup plus fortes que dans le cas de particules superparamagnétiques, et le champ de saturation n’est que de 4 à 30 mT. Un champ appliqué de quelques mT suffit à exercer d’importantes forces magnétiques.

 

Maj : 29/04/2014 (1029)

 

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