Ecoconception of new biocidal agent made of silver nanoparticles with biomimetic coating
Ecoconception de nouveaux agents biocides à base de nanoparticules d'argent à enrobage bio-inspiré
Résumé
Silver nanoparticles are increasingly used in everyday consumer goods as well as in medical devices for their biocidal activity, which is due to the release of Ag(I) ions over time. The hindsight on these nano-objects and, in particular, on their safety is still not sufficient and studies on their transformation and their impact in vivo is currently an intense research field. Indeed, the fate in the body of macro- and micro-materials studied classically is not the same as for nanomaterials. The case of the silver nanoparticles illustrates this problem: the soluble silver injected intravenously is eliminated faster than the same amount of silver injected in nanoparticular form. Moreover, the concentration of silver found in the bloodstream and organs is ten times higher when silver nanoparticles are injected rather than ingested. The development of silver nanoparticle-containing implanted devices, that get in direct contact with the body, must thus take into account the related risks. A Safer-by-design approach could be a way to solve this issue.One of the main components of Safer-by-design development is the functionalization of nano-objects. The affinity of the thiolates for Ag(I) ions is very high, which would make thiolated ligands a good tool for silver nanoparticle functionalization. However, it is known that the thiolated molecules lead to different behaviors, ranging from the dissolution of silver nanoparticles into Ag(I) ions to the simple passivation of the surface of the nanoparticles, which leads to the loss of their biocidal activity.The Ecodesign of New Biocidal Agents based on Silver Nanoparticles and Bio-inspired Coating is therefore at the interface of several research areas and its main objective was to lay the conceptual foundations for the development of a Safer-by-design biocidal agent based on the interaction between silver nanoparticles and thiolated molecules.The development of this project required to study the reactivity of various biological or bio-inspired thiolated molecules with silver nanoparticles. First of all, we have highlighted the importance of the architectural pre-organization of biomolecules in the dissolution kinetics, as well as the role of the number of free thiols in the molecule. In the case of molecules inducing the dissolution of the nanoparticles, its kinetics increases with the number of free thiols present on the molecule and with the pre-organization of the metal binding site. In a second time, the main project of this thesis was the development of a proof of concept of a new biocidal agent composed of silver nanoparticles bridged together via a thiolated ligand, which is the chemical mimic of one binding site of a metallothionein. These nanoparticle assemblies were active against bacteria (E. coli) and less toxic than silver nanoparticles on eukaryote cells (HepG2), despite a similar cellular entry. Finally, a screening was performed with polyethylene glycols having two to eight thiols and varying polymer lengths in an attempt to rationalize the differences in the behavior of silver nanoparticles in the presence of the thiolated molecules. This ongoing work leads to various behaviors that will enable to explore novel ways for the development of biocidal based on nanoparticles assemblies mediated by thiol – Ag(I) bonds.Therefore, this overall PhD work allows performing both very fundamental researches concerning the reactivity of thiols with surface silver atoms of the nanoparticles and the development of products with application potential, silver nanoparticle assemblies that are Safer-by-design biocide.
Les nanoparticules d'argent sont de plus en plus utilisées dans les objets de consommation courante ainsi que dans les dispositifs médicaux pour leur activité biocide, qui est due au relargage d'ions Ag(I) au cours du temps. Le recul sur ces nano-objets et en particulier sur leur innocuité n'est toujours pas suffisant et les études sur leur transformation et leur impact in vivo sont sujets à d’intenses recherches. En effet, le devenir dans l’organisme des macro- et micro-matériaux étudiés classiquement n’est pas le même que celles des nanomatériaux. Les nanoparticules d’argent illustrent bien cette problématique : l’argent soluble injecté par voie intraveineuse est éliminé plus rapidement que la même quantité d’argent injectée sous forme nanoparticulaire. De plus, la concentration en argent retrouvée dans le sang et les organes est dix fois supérieure lorsque les nanoparticules d’argent sont injectées plutôt qu’ingérées. C'est pourquoi le développement de produits implantatoires qui se retrouvent donc en contact direct avec l’organisme, et qui contiennent des nanoparticules d’argent doit prendre en compte les risques associés, ce qui peut se faire par une approche Safer-by-design.Une des composantes principales du développement Safer-by-design concerne la fonctionnalisation des nano-objets. L’affinité des thiolates pour l’ion Ag(I) étant très forte, des ligands thiolés pourraient donc constituer une piste pour la fonctionnalisation des nanoparticules d’argent. Néanmoins, il est connu que les molécules thiolées conduisent à différents comportements allant de la dissolution de la nanoparticule d’argent en ions Ag(I) à la simple passivation de la surface de la nanoparticule ce qui peut entrainer la perte de son activité biocide.Ainsi, l’Ecoconception de Nouveaux Agents Biocides à base de Nanoparticules d’Argent à Enrobage Bio-inspiré avait pour objectif principal de poser les bases conceptuelles du développement d’un agent biocide Safer-by-design constitué de nanoparticules d’argent et de molécules thiolées en se positionnant à l’interface de plusieurs disciplines.Le développement de ce projet a nécessité d’étudier la réactivité de diverses molécules biologiques ou bio-inspirées thiolées avec les nanoparticules d’argent. Ainsi, nous avons mis en évidence l’importance de la pré-organisation architecturale des biomolécules dans la cinétique de dissolution, ainsi que le nombre de thiols libres dans la molécule. Dans le cas de composés induisant la dissolution des nanoparticules, sa cinétique augmente avec le nombre de thiols libres présents sur la molécule, et avec la pré-organisation du site de liaison du métal. Le projet principal de cette thèse a ensuite mené à la preuve de concept recherchée, avec le développement d’un nouvel agent biocide composé de nanoparticules d’argents pontées entre elles par un ligand thiolé tripode symétrique qui est le mime chimique d’un site de liaison d’une métallothionéine. Ces assemblages de nanoparticules se sont montrés actifs contre les bactéries (E. coli) et moins toxiques sur les cellules eucaryotes (HepG2), malgré une entrée dans les cellules similaire. Enfin, un criblage a également été réalisé avec des polyéthylèneglycols possédant un à huit thiols et des longueurs de polymères variables dans le but d’essayer de rationaliser les différences de comportement des nanoparticules d’argent en présence des molécules thiolées. Ce travail, a conduit à l’observation des comportements très variés qui vont permettre d’explorer de nouvelles voies de développements de biocides à base d’assemblages de nanoparticules médiés par des liaisons thiol – Ag(I).L’ensemble de ce travail de thèse a donc permis à la fois un travail très fondamental sur la réactivité des thiols vis-à-vis des atomes d’argent à la surface des nanoparticules et au développement de produits à potentiel applicatif, les assemblages de nanoparticules d’argent qui sont des biocides Safer-by-design.
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