20 novembre 2013
Actionnement efficace et dispersion contrôlée de nanoparticules magnétiques pour applications biomédicales

FIG1. Photos MEB (a–e) de nos microparticules vortex (Ø 1.4 µm épaisseur t =100 nm) ; Microscopie optique (f-g) des particules en solution ; (f) Formation de chaines de particules, polarisées par le champ appliqué μ0H ~ 4mT ; (c) Dispersion de ces particules pour H ramené à 0.

Les nanoparticules magnétiques sont de plus en plus étudiées dans de nombreuses applications biologiques et biomédicales, grâce à la possibilité qu’elles offrent d’exercer des actions mécaniques sur des espèces biologiques à l’aide de champs magnétiques appliqués à distance. Une condition pour leur utilisation en biotechnologies est d’éviter leur agglomération sous l’effet de leurs interactions mutuelles, tels des micro-aimants ayant tendance à s’attirer. Par ailleurs, on cherche à ce que l’effort mécanique qu’elles exercent (la force ou le couple) soit le plus fort possible dans un champ raisonnable à créer (de préférence inférieur à 0.1Tesla).  Notre étude a permis d’évaluer et de comparer les propriétés de dispersion et d’actionnement de deux types de  nanoparticules magnétiques innovantes, préparées par approche top-down. Le premier type est sous forme de couche mince magnétique unique en configuration vortex (tourbillon d’aimantation), le deuxième est un empilement magnétique en multicouches, de type antiferromagnétique synthétique (SAF) c'est-à-dire constitué de deux couches magnétiques couplées antiparallèlement mais pouvant se polariser facilement sous champ. Ces deux types de particules ont des comportements de type superparamagnétique, c'est-à-dire présentant une aimantation nulle en champ nul évitant leur agglomération mais pouvant acquérir une forte polarisation magnétique dans un champ raisonnable (Fig.1).

 

FIG2. Comparaison des couples générés par les particules vortex et SAF selon leurs épaisseurs, dans μ0H =10 mT, champ appliqué à &thetas; = 45° du plan de la particule.

De plus, comme elles ne sont pas sphériques contrairement aux particules magnétiques usuellement préparées par voie chimique, elles arrivent à se réorienter facilement sous l’effet de champ magnétique de direction variable générant des couples importants sur les espèces biologiques. Notre étude montre que les deux configurations présentent chacune leurs propres avantages. Les particules vortex sont plus faciles à réaliser car formées d’une seule couche magnétique qui peut être en oxyde de Fer donc biocompatible. Du fait de leur susceptibilité modérée, elles ne s’agglomèrent jamais sous champ magnétique, mais le couple mécanique qu’elles arrivent à exercer sous l’effet d’un champ appliqué est plus faible que pour les particules SAF (Fig.2). Les particules SAF sont plus complexes à élaborer et à rendre biocompatibles car constituées d’un empilement de plusieurs couches. Leur susceptibilité magnétique doit être ajustée pour éviter leur agglomération. Mais elles permettraient d’exercer des actions mécaniques plus importantes que les particules vortex sur les espèces biologiques.

L’efficacité de ces couples magnétiques permet l’apparition d’applications biomédicales innovantes, en particulier une approche sur laquelle nous travaillons avec SPRAM et le SCIB utilisant la vibration de nanoparticules magnétiques pour la destruction de cellules cancéreuses ciblées.

 

Remerciements : Ce travail a bénéficié d'une aide de l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) via le projet P2N Nanoshark portant la référence ANR-11-NANO-001 et a été soutenu financièrement par la Région Rhône-Alpes dans le cadre du projet CIBLE 2012.

 

Publication : Comparison of dispersion and actuation properties of vortex and synthetic antiferromagnetic particles for biotechnological applications, S. Leulmi, H. Joisten, T. Dietsch, C. Iss, M. Morcrette, S. Auffret, P. Sabon and B. Dieny, Appl. Phys. Lett. 103, 132412 (2013).

 

Maj : 26/11/2013 (901)

 

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