Stratégies actuelles pour la synthèse de nanoparticules de métaux nobles

Introduction

Les métaux nobles sont utilisés depuis très longtemps, remontant à la première civilisation égyptienne, et ont toujours été considérés comme un signe de puissance et de richesse supérieures. En conséquence, ils peuvent être vus dans l'histoire sous la forme d'œuvres d'art coûteuses, de pièces de monnaie, de bijoux, etc. [1]. Ces métaux ont généralement tendance à être plus chers que les autres en raison de leur disponibilité dans la croûte terrestre [2, 3]. En raison de leur nature robuste, de leur résistance aux conditions extrêmes de corrosion et d'oxydation, ils ont été largement utilisés dans l'industrie aérospatiale, automobile, chimique, énergétique, électrique et électronique et plus important encore dans la santé (de l'équipement chirurgical aux rehausseurs de contraste en imagerie) [4 , 5].

Au cours des deux dernières décennies, la nanotechnologie s'est avérée être la technologie future la plus prometteuse, offrant d'innombrables possibilités. Le soutien multidisciplinaire des secteurs académiques et industriels en a fait le domaine en expansion la plus rapide, avec des résultats très prometteurs [6,7,8]. Actuellement, le saut technologique dans la synthèse et le contrôle des métaux à l'échelle nanométrique a fourni d'immenses opportunités de recherche pour progresser dans les soins de santé personnalisés, les diagnostics et les thérapies [9,10,11]. Les nanoparticules métalliques (MNP) se sont avérées être les plus couramment et largement étudiées en raison de leurs propriétés physico-chimiques impressionnantes et de leur rapport surface/volume élevé par rapport à leur matériau en vrac (métal). Quant aux applications biomédicales, les NMNP sont devenus un choix naturel en raison de leur résistance aux environnements difficiles. Ils ont été appliqués dans des tests de diagnostic hautement sensibles, en tant qu'amplificateurs d'ablation thermique en radiothérapie et en tant que véhicules d'administration de médicaments et de gènes [3, 12, 13].

La fusion récente de la nanotechnologie avec les sciences des matériaux a entraîné le développement de nouveaux matériaux nanocomposites avec des propriétés thermiques, catalytiques, électriques, optiques et mécaniques hautement améliorées par rapport aux composants individuels. Notamment, les composites constitués de NMNP ont suscité un grand intérêt pour la recherche en raison de leurs propriétés physico-chimiques impressionnantes qui jouent un rôle vital dans la modification des blocs de construction à l'échelle nanométrique et donnent lieu à de larges applications en catalyse (principalement électrocatalyse), en optique, en nanomédecine et en protection de l'environnement. 14,15,16,17]. Les métaux nobles à l'état colloïdal ont fait l'objet d'études intensives, principalement en raison de leur efficacité en thérapeutique et en diagnostic [2, 18]. De même, des améliorations dans la synthèse de matériaux tels que l'oxyde de graphène et l'oxyde de graphène réduit [14, 19, 20], les points quantiques [21,22,23] et les nanotubes de carbone [24,25,26] ont contribué à une plus grande faisabilité et efficacité méthodes pour la formation de NMNCs.

En raison de la petite taille de Au, des PtNP et des NMNP, de leur grand rapport surface/volume et de leur capacité à assister les processus de transfert d'électrons élevés, ils sont des candidats idéaux pour des applications en tant que capteurs électrochimiques [27,28,29]. Les propriétés optiques des NMNPs ont servi de sujet à de nombreuses études, en particulier Ag et AuNPs. Ces NP sont capables de répondre différemment à différentes longueurs d'onde de la lumière (diffusion étendue de la région visible à la région proche infrarouge avec Au), et elles sont donc appliquées comme amplificateurs de signal dans la spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS), la résonance plasmonique de surface localisée et d'autres spectroscopies de diffusion de résonance [30,31,32,33]. En raison des propriétés optiques largement ajustables et de la biocompatibilité des AuNP, elles ont été appliquées à la thérapie photothermique et à l'imagerie in vivo (imagerie photoacoustique) des tumeurs [34,35,36]. Récemment, les AgNPs ont également montré leur potentiel en thérapie photothermique, où ils sont généralement appliqués en tant que systèmes noyau-coque Ag ou composites (avec oxyde de graphène/nanotubes de carbone réduits) [37,38,39]. La biocompatibilité des NMNPs avec les cellules et les tissus a ouvert une large applicabilité dans le diagnostic [14]. Les biocapteurs des NMNP et des NMNC (en particulier le graphène) ont joué un rôle clé dans l'amélioration de la précision et de la spécificité qui offrent un avantage par rapport aux méthodes de diagnostic biomoléculaire existantes [40, 41]. En général, Au et PtNPs sont utilisés dans le développement de nouveaux biocapteurs et sondes en raison de leur capacité à s'adsorber sur les biomolécules ainsi que de leur conductivité et stabilité suprêmes [42,43,44,45]. En conséquence, les NMNP eux-mêmes ou sous la forme de NMNC sont appliqués comme immunocapteurs [46], biomolécules pour la détection [47] et nanosondes (pour l'imagerie cellulaire in vivo, le suivi et l'étude de la pathogenèse de la progression de la maladie) [2, 6, 48 ]. Malgré tous ces avantages des NMNP et des NMNC, il y a encore eu de nombreuses questions et débats concernant leur profil de sécurité dans le corps humain [49,50,51].

Dans cette revue, nous proposons une enquête sur les méthodologies de synthèse des NMNP (Ag, Au et Pt) et des NMNC (avec Ag, Au et Pt) ainsi que sur leurs développements actuels dans les applications biomédicales en tant que thérapeutiques et diagnostics, y compris la synergie présentée par les NMNC. avec les NMNP en termes d'amélioration des performances, qui est un sujet brûlant dans la recherche sur les matériaux.

Tendances actuelles de la synthèse des NMNP

Méthodes de synthèse des NMNP

La préparation des NP suit essentiellement deux approches différentes, (1) descendante (méthode destructive) et (2) ascendante (méthode constructive) (Fig. 1).

Représentation schématique des approches top-down (images avec fond vert) et bottom-up (images avec fond jaune pâle) de la synthèse de nanoparticules, l'image a été adaptée et redessinée à partir de [52,53,54,55,56,57, 58,59,60]

Les processus descendants consistent à casser des matériaux en vrac en particules plus petites de nanodimensions à l'aide de diverses méthodes physiques et chimiques. En revanche, dans l'approche ascendante, les NP sont produites par l'auto-assemblage des atomes, des molécules ou des amas. Les approches descendantes impliquent des processus contrôlés de l'extérieur pour couper, fraiser et façonner les matériaux dans l'ordre et la forme souhaités. Plusieurs méthodes physiques, telles que la pyrolyse [61, 62], la nanolithographie [63, 64], la thermolyse [65] et les méthodes radio-induites [66,67,68] appartiennent à cette catégorie. Cependant, cette approche s'accompagne d'une limitation majeure, qui est la structure de surface imparfaite des MNP résultants, qui affecte considérablement leurs propriétés physiques et chimiques [1]. De plus, cette méthode nécessite une énorme quantité d'énergie pour maintenir les conditions de haute pression et de haute température pendant la procédure de synthèse, ce qui rend le processus coûteux.

Dans les méthodes ascendantes, les NP sont assemblées à partir des atomes, des amas et des molécules correspondants à l'aide de procédures chimiques et biologiques. L'approche ascendante s'est avérée avantageuse, car elle permet de mieux contrôler la formation du produit final avec une taille, une forme (paramètres physiques) et une composition chimique plus homogènes. De plus, cette approche est en général moins coûteuse. L'approche ascendante est généralement une procédure de synthèse chimique humide, telle que la synthèse chimique [69, 70], électrochimique [71, 72, 73], sonochimique [74, 75] et verte [76, 77]. Dans l'approche bottom-up, la purification des particules synthétisées à partir de leur mélange réactionnel (produits chimiques toxiques, solvants organiques et réactifs) est un enjeu majeur qui remet en cause leurs applications biomédicales à l'exception des méthodes de synthèse verte.

Approches descendantes

Pulvérisation

La pulvérisation cathodique est l'un des protocoles de synthèse les plus couramment utilisés qui comprend le dépôt de NP sous forme d'une couche mince générée par la collision d'ions sur le substrat et suivie d'un recuit. Cette méthode est également appelée méthode de dépôt physique en phase vapeur (PVD) [78, 79]. L'efficacité de cette méthode dépend principalement de facteurs tels que l'épaisseur de la couche, le type de substrat, la durée de recuit et la température, qui influencent directement la taille et la forme des NP [55, 80, 81].

Micropatterning

Le micropatterning, une technique populaire utilisée dans les biocapteurs, les puces à ADN, l'ingénierie tissulaire et les études cellulaires [82], est également utilisé dans la synthèse des MNP. En général, cette technique est équivalente à un processus d'impression dans lequel un matériau est découpé ou formé dans la forme et la taille requises avec un faisceau lumineux ou électronique pour la synthèse de réseaux nanostructurés à partir d'un précurseur approprié. Il s'agit d'une méthode à basse température et sans vide qui utilise la photolithographie pour la synthèse des MNP, en utilisant le frittage laser de l'encre MNP [83, 84]. En dehors de la photolithographie, de nombreuses techniques de lithographie ont été développées telles que la numérisation, la nanoimpression douce, la lithographie colloïdale, nanosphère et E-beam [2, 57, 85, 86].

Fraisage

Le broyage est généralement représenté comme la face publique des processus descendants, car il implique la rupture directe de matériaux en vrac en micro/nanostructures. Dans le broyage mécanique, l'énergie cinétique des rouleaux/billes est transférée au matériau en vrac, ce qui entraîne une réduction de la taille des grains [87]. Des paramètres tels que le type de broyeur, l'atmosphère de broyage, le milieu de broyage, l'intensité, le temps et la température jouent un rôle crucial dans le contrôle de la forme et de la taille des NP [88, 89]. Différentes techniques ont été développées afin de surmonter ces contraintes, notamment les broyeurs à secousses, les broyeurs à tambour, les broyeurs vibrants, les broyeurs à attrition et les broyeurs planétaires.

Ablation laser

L'ablation au laser est l'une des méthodes considérées comme un remplacement approprié pour les méthodes chimiques conventionnelles en raison de ses temps de traitement rapides, offrant un meilleur contrôle de la taille et de la forme des particules et des rendements élevés avec une meilleure stabilité à long terme [78, 90 ,91,92]. Dans un processus d'ablation laser, une surface solide (généralement une plaque de métal pur) est irradiée avec un faisceau laser, conduisant à un panache de plasma à faible flux, qui est finalement évaporé ou sublimé pour former des NP [93]. A un flux plus élevé, les matériaux sont convertis en plasma. L'absence d'exigence pour éliminer les réactifs en excès ainsi que la possibilité de synthèse de nanoparticules métalliques dans des solvants aqueux et organiques a permis la mise en œuvre de la méthode d'ablation laser dans des applications biomédicales telles que la conjugaison in situ de biomolécules avec des MNP, ce qui a été prouvé être plus efficace que les techniques standards [54, 94, 95].

Pyrolyse

La décomposition thermique est une autre technique importante couramment utilisée séparément ou en combinaison avec d'autres méthodes physiques pour la synthèse de MNP [78]. Il s'agit d'un processus de décomposition chimique endothermique qui utilise la chaleur pour rompre les liaisons chimiques du composé, entraînant la décomposition du précurseur, le forçant à une réaction chimique produisant des NP ainsi que d'autres sous-produits sous forme de cendres. Grâce à un traitement ultérieur des cendres solides obtenues, les NP sont récupérées. La pyrolyse est fréquemment utilisée pour la préparation de MNP nobles [56, 96, 97]. La consommation d'énergie excessive est l'un des inconvénients les plus importants de cette méthode.

Dépôt chimique en phase vapeur

Cette méthode est également connue sous le nom de méthode de dépôt sous vide, où le réactif gazeux est déposé sous forme d'un film mince sur un substrat avec une combinaison d'autres molécules de gaz qui favorisent la surchauffe du substrat. Au cours de la réaction, le substrat entre en contact avec les gaz combinés, entraînant une réduction des ions [78]. Le produit de cette réaction se présente généralement sous la forme d'un film dont les NP doivent être grattées. La méthode produit des nanoparticules très pures, uniformes et non poreuses; en conséquence, cette méthode est devenue très importante dans l'industrie de l'électronique et des semi-conducteurs. Malgré ces énormes avantages, cette méthode souffre de quelques inconvénients majeurs :La nécessité d'un équipement spécial pour fabriquer les films et les chambres de la réaction, et le fait que les sous-produits gazeux de cette réaction sont extrêmement toxiques [98].

Approches ascendantes

Réduction des ions métalliques en solution

Cette approche implique la réduction des ions métalliques de leurs sels ioniques en utilisant divers agents réducteurs chimiques en présence d'un agent stabilisant dans des paramètres de réaction favorables (pH, température, etc.). Cette procédure est la méthode la plus courante et la plus fiable de toutes les approches ascendantes en raison de sa simplicité [2, 99]. Une liste complète d'un certain nombre d'agents réducteurs est disponible pour ce processus, qui comprend le citrate de sodium couramment utilisé [10, 100], l'acide tannique [99], le borohydrate de sodium [101], l'hydrazine, l'hydrogène, l'hydrure de lithium et d'aluminium et les alcools peuvent également être utilisé [2, 60]. De même, en ce qui concerne les agents stabilisants, il existe de nombreuses options, et ils se répartissent généralement en deux catégories (1) à faible poids moléculaire (par exemple, citrate, SDS, chitosane, etc.) et (2) à haut poids moléculaire. (par exemple, amidon, tween, PVP, PEG, DISPERBYK, etc.). Les stabilisants de bas poids moléculaire (généralement des détergents chargés) ont tendance à altérer la charge de surface des particules synthétisées et à maintenir la force de répulsion entre elles, empêchant l'agrégation; ce type de stabilisant ne protège généralement pas bien contre les facteurs de stress environnementaux (notamment les changements de température de stockage et d'exposition à la lumière). Les stabilisants de poids moléculaire élevé engloutissent généralement les particules et les protègent des contraintes environnementales. Ils se sont avérés plus efficaces que les stabilisants de bas poids moléculaire. Malgré leurs avantages, leurs applications biologiques et leurs propriétés catalytiques sont discutables en raison de l'épaisse couche d'agent stabilisant sur les particules qui empêche leur dissolution [102, 103]. En termes d'homogénéité de la taille et de la forme des particules, le grand gagnant est la réduction chimique. En effet, la réduction peut être facilement régulée en modifiant les paramètres de réaction (pH et rapport entre le réducteur et l'agent stabilisant). Tyagi et son équipe ont produit des AuNPs [104] en utilisant la méthode de réduction du citrate à température ambiante, à pH 3 avec des rapports molaires 2:1 et 5:1 de citrate à AuCl₃ de, produisant des particules d'une taille moyenne de 28 et 25 nm, respectivement. A ce pH, la réaction était beaucoup plus rapide qu'à d'autres valeurs de pH. Ils ont également montré que des AuNP de différentes formes telles que des prismes, des bâtonnets et des sphères se formaient à des valeurs de pH allant de 3 à 6 (avec un rapport molaire de 2:1 entre le citrate et l'AuCl₃ ). Dans une autre étude menée par Agnihotri et ses collègues [105], qui ont appliqué une méthode de réduction de citrate similaire pour la synthèse d'AgNPs, ont obtenu des particules d'une taille moyenne de 5 nm à la concentration la plus élevée de citrate de sodium (4,28  × 10 ^–3 mol dm ⁻³ ). Leur taille augmentait à des concentrations élevées de citrate (jusqu'à 100 nm à 1,77 × 10 ^–2 mol dm ⁻³ ). Une autre étude de Hou et al. [106] ont décrit la synthèse de nanoparticules de Pt hautement stables et monodispersées sous forme d'hydrolats pour des applications électrocatalytiques.

Microemulsion

La fabrication de NP métalliques à base de microémulsions devient un sujet de grand intérêt, et elle est également apparue comme une méthode efficace qui permet de mieux contrôler les aspects physiques des nanoparticules synthétisées tels que la taille et la forme. En général, les microémulsions sont simplement des mélanges de deux liquides non miscibles en présence d'un tensioactif. Ces systèmes ont généralement une tension interfaciale ultra-faible, une grande surface interfaciale et une stabilité thermodynamique [107]. La première synthèse de NMNP à base de microémulsion a été décrite par l'équipe de Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109] qui ont synthétisé des NP de platine, palladium et rhodium. Dans la synthèse de NP à base de microémulsion, deux microémulsions distinctes sont préparées, l'une contenant le sel ionique et l'autre contenant l'agent réducteur produit dans un environnement amphiphile. La collision entre les émulsions conduit au mélange des réactifs et réduit les ions du sel en atomes neutres, qui forment alors des nanoparticules [2]. Les systèmes eau-dans-huile sont généralement utilisés pour la synthèse de nanoparticules métalliques, et comme les nanoparticules produites par ce procédé sont dérivées sous forme d'émulsions, elles sont généralement thermodynamiquement stables. Selon les besoins, ce processus pourrait également être adapté pour synthétiser un type spécifique de nanoparticule en modifiant le rapport du tensioactif à l'huile. Cela permet de contrôler la taille et la forme des particules [110].

Méthodes électrochimiques

Les procédés électrochimiques sont couramment utilisés pour la synthèse de NMNP et de nanocomposites, qui sont principalement utilisés pour leurs propriétés catalytiques et ont récemment été utilisés dans des applications biomédicales en tant que biocapteurs [111]. La méthode électrochimique a été introduite pour la première fois en 1994 par Reetz et Helbig, qui ont dissous une feuille de métal pur de l'anode pour réaliser le dépôt de sel métallique sur la cathode d'une cellule électrochimique en présence d'un électrolyte pour produire des nanoparticules [2, 112] . L'efficacité de cette méthode dépend de divers paramètres tels que la nature de l'agent réducteur, la pureté du métal et du stabilisant, le choix de l'électrolyte, le rapport de concentration et la température, qui impactent directement les paramètres physiques des NPs [53]. À l'heure actuelle, la synthèse de nanocomposites (en particulier ceux avec du graphène) par des méthodes électrochimiques est préférée à la synthèse de NP [113].

Méthodes de synthèse radio-induites

Cette méthode utilise des rayonnements ionisants (en particulier des rayonnements gamma et comprend des rayons X et des rayons UV) pour la synthèse de nanoparticules métalliques. Il s'est avéré très efficace par rapport aux méthodes conventionnelles de synthèse de NP, car il fournit des nanoparticules métalliques entièrement réduites et très pures (sans sous-produit). Le sujet a été bien traité dans plusieurs revues [59, 66, 114, 115]. Dans ce processus, une solution aqueuse d'agent réducteur et stabilisant est exposée à une radiolyse radio-induite, ce qui conduit à la formation de NP. Au cours de l'exposition aux rayonnements, les molécules d'eau se brisent, produisant des produits transitoires qui agissent comme de puissants agents oxydants ou réducteurs et réduisent les ions métalliques en atomes métalliques neutres, qui se nucléent ensuite pour former des NP. Les techniques de rayonnement X synchrotron ont permis de suivre en temps réel les trajectoires de croissance des NP colloïdales [116]. Les paramètres physiques critiques pour la synthèse des NP comprennent la dose de rayonnement, le pH du système et le type de solvant utilisé dans la synthèse [117]. Récemment, la synthèse radio-induite a été utilisée pour la production de tween 80 AgNPs stabilisés pour des applications antibactériennes [118].

Méthodes de synthèse verte induite par micro-ondes

Généralement, la synthèse assistée par micro-ondes est également connue sous le nom de synthèse en un seul pot et implique la synthèse de NP à partir de sels et de solutions de tensioactifs. C'est une méthode très fiable, rapide et facile qui prend en charge le contrôle de la morphologie des NP synthétisées [2]. Cette méthode fonctionne sur le principe de l'interaction dipolaire (les molécules ont tendance à s'aligner et à osciller au rythme du champ électrique oscillant des micro-ondes, la collision et le frottement entre elles provoquent de la chaleur) et la conduction ionique (le champ électrique génère un mouvement ionique lorsque les molécules essaient s'orienter vers le champ changeant rapidement, provoquant une surchauffe instantanée) produisant un effet de chauffage qui entraîne la réduction des ions métalliques en NP [119, 120]. Le temps d'irradiation micro-ondes et la concentration du réactif déterminent principalement les paramètres morphologiques des NPs. Récemment, les propriétés physiques telles que la monodispersité et la taille des grains des nanoparticules de magnétite superparamagnétiques préparées par synthèse assistée par micro-ondes ont été contrôlées par l'injection de polyanion humate à différentes étapes de la synthèse [121]. La décharge électrique induite par micro-ondes a également été utilisée pour la synthèse de nanoparticules de Cu, Ni et Zn à partir de particules métalliques en l'absence de solvants ou de tensioactifs [122].

Méthodes de synthèse verte

L'utilisation excessive de produits chimiques dans la synthèse chimique a presque compromis l'avenir des applications biologiques des NMNP. Cela a abouti à l'exploration d'autres méthodes écologiques avec une utilisation minimale de produits chimiques. Les méthodes de synthèse vertes utilisant des extraits de plantes, des micro-organismes et des biopolymères se sont avérées être de puissants candidats pour remplacer les méthodes chimiques de synthèse des NP (Fig. 2) [123]. Grâce à des méthodologies plus simples et plus écologiques, il y a eu une augmentation exponentielle des publications au cours des deux dernières décennies [52, 124, 125].

Représentation schématique des méthodes de synthèse verte

Synthèse du biosystème de NMNPS

La quête du développement de méthodes bénéfiques sur le plan économique et environnemental a conduit à l'exploration des micro-organismes comme candidats potentiels pour la synthèse de nanoparticules [126, 127]. Les systèmes biologiques sont d'excellents exemples d'organisations hiérarchiques d'atomes et de molécules, qui incitent les chercheurs à utiliser des micro-organismes comme usines cellulaires potentielles pour la préparation de nanomatériaux. Les espèces procaryotes (bactéries) et eucaryotes (algues, champignons et plantes) sont utilisées pour la synthèse verte des NP [123].

Synthèse de nanoparticules basée sur des bactéries

Les bactéries qui ont été exposées à plusieurs reprises à des environnements riches en métaux ont souvent développé une résistance à ces conditions extrêmes [128]. Ainsi, les procaryotes sont devenus un choix naturel pour produire des nanomatériaux. Pseudomonas stutzeri AG259, une bactérie accumulatrice de métaux isolée d'une mine d'argent, a été utilisée par Klaus et al. [129] pour créer des nanocristaux intracellulaires d'argent métallique d'une taille allant jusqu'à 200 nm. La synthèse extracellulaire des NP a été rapportée pour la première fois par Shahverdi et ses collaborateurs [130], où les AgNP ont été produites par la réduction d'Ag aqueux ⁺ ions à travers divers surnageants de culture de bactéries à Gram négatif, c'est-à-dire Enterobacter cloacae , Escherichia coli et Klebsiella pneumonia . Le taux de synthèse était beaucoup plus rapide que la synthèse intracellulaire, ce qui a entraîné la synthèse d'Ag-NPs dans les 5 minutes suivant la rencontre des ions Ag +  avec le filtrat cellulaire. Enzymes extracellulaires de réductase produites par les micro-organismes, à savoir Bacillus licheniformis et Bacillus clausii , réduisent les ions d'argent en argent neutre, ce qui donne des particules de taille nanométrique. Le dosage des protéines de ces micro-organismes a révélé que l'enzyme réductase dépendante du NADH joue un rôle vital dans la bioréduction des ions argent en nanoparticules d'argent. L'enzyme réductase obtient ses électrons de l'oxydation du NADH en NAD + . Au cours de l'oxydation, l'enzyme s'oxyde également en même temps, ce qui entraîne la réduction des ions argent en AgNPs. Dans certains cas, il a été observé que la réductase nitrate-dépendante peut également participer à la bioréduction [131,132,133]. De plus, plusieurs souches bactériennes (gram-négatives et gram-positives), à savoir A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium et S. aureus , ont également été utilisés pour la biosynthèse extra- et intracellulaire des AgNPs [123]. De même, les AuNP et les PtNP sont également préparés par l'accumulation et la réduction de sels d'or et de platine par des bactéries. B. licheniformis, B. megaterium , Delftia sp KCM-006., Shewanella sp ., Stenotrophomonas maltophilia et Lactobacillus sp . sont quelques exemples de bactéries qui ont été utilisées pour produire des nanomatériaux d'or [134, 135]. De plus, la bactérie Shewanella sp . et Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 ont été utilisés pour la préparation de PtNPs [136, 137]. Bien que la synthèse à médiation bactérienne soit prometteuse en termes de nature verte et de contrôle de la forme et de la taille des particules (principalement en synthèse extracellulaire), elle souffre d'inconvénients tels que des difficultés de manipulation et de faibles rendements.

Synthèse basée sur les champignons

Ces dernières années, la synthèse de NMNP avec des micro-organismes eucaryotes est apparue comme une meilleure alternative aux procaryotes en raison de leur capacité d'absorption intracellulaire élevée des métaux, leur capacité à synthétiser des NP avec différentes compositions chimiques, leur capacité à produire une grande quantité d'enzymes par unité de biomasse et une manipulation facile de la biomasse. à l'échelle du laboratoire [131].

En général, les champignons ont le potentiel de synthétiser des NP métalliques en raison de leur capacité de bioaccumulation des métaux, de leur tolérance, de leur capacité de liaison élevée et de leur absorption intracellulaire comme les bactéries [127]. Les champignons utilisent à la fois des méthodes intracellulaires et extracellulaires pour la synthèse des NP, et la synthèse extracellulaire est le mécanisme de synthèse le plus couramment rapporté en raison de leur capacité à produire une grande quantité d'enzymes extracellulaires qui convertissent Ag ⁺ ions en particules d'argent à l'échelle nanométrique [138,139,140]. En synthèse intracellulaire, Ag ⁺ les ions sont adsorbés à la surface de la cellule par l'interaction électrostatique entre les groupes carboxylates chargés négativement dans les enzymes et Ag ⁺ chargés positivement ions. Ag ⁺ Les ions sont ensuite réduits par les enzymes présentes dans la paroi cellulaire pour former des AgNPs. Dans ce processus, les NPs sont formées à la surface des mycéliums, pas en solution. En 2001, la préparation intracellulaire d'AuNPs à l'aide de Verticillium sp a été signalé pour la première fois par Mukherjee et al. [141], où Au ³⁺ les ions du tétrachloroaurate ont été réduits dans les cellules fongiques, entraînant la formation de particules d'une taille de 20 nm. Vahabi et ses collègues [142] employaient Trichoderma reesei pour la synthèse des AgNPs, où le milieu avec biomasse a été inoculé avec AgNO₃ et incubés sur une période de 72 h, entraînant la formation d'AgNPs dans la gamme de taille de 5 à 50 nm. De même, une autre étude de l'équipe de Vigneshwaran et al. [138] ont démontré la synthèse intracellulaire d'AgNPs à partir d'Aspergillus flavus et ont signalé que les enzymes de la paroi cellulaire étaient principalement responsables de la réduction et que les protéines étaient responsables de la stabilisation. Malgré tous ces avantages tels qu'une synthèse plus rapide et un meilleur contrôle de la taille et de la forme des particules synthétisées, les processus intracellulaires souffrent d'un énorme inconvénient en termes de récupération de produit qui rend le processus difficile et coûteux, car les NP se lient à la cellule. En conséquence, la synthèse extracellulaire est préférée. Dans la synthèse extracellulaire, un bouillon/suspension sans cellules est utilisé dans le processus de synthèse qui s'avère plus respectueux de l'environnement et plus rentable. En 2016, l'équipe de Balakumaran et al. [143] ont utilisé une suspension acellulaire d'Aspergillus terreus pour la synthèse d'Au et d'AgNPs, résultant en des nanoparticules sphériques dans la gamme de taille de 8-20 nm et 10-50 nm pour Ag et AuNPs, respectivement. L'évaluation FTIR des particules a confirmé la liaison des protéines avec les NP.

Synthèse à base d'algues

La synthèse des NP par les algues utilise quatre méthodes différentes :(1) les cellules d'algues entières sont récoltées à partir de leur milieu de culture à une phase de croissance donnée par centrifugation, puis dispersées directement dans une solution aqueuse du sel métallique; (2) extrait aqueux acellulaire fabriqué à partir de cellules fraîchement récoltées ou lyophilisées; (3) un filtrat ou un surnageant d'extrait aqueux d'algues broyées, fraîches ou séchées; et (4) un filtrat aqueux d'un bouillon d'algues. La synthèse médiée par un extrait est le mécanisme de synthèse à base d'algues le plus fréquemment rapporté [131, 144]. The accumulation of elemental gold in the form of AuNPs (9–20 nm) was noted with a dried cell suspension of Chlorella vulgaris by Hosea et al., who also reported an increase in the concentration of gold with time, proving the ability of the algal cells to uptake and reduce the gold ions from tetrachloroauric acid [145]. Velgosova and coworkers [146] reported on the synthesis of highly stable AgNPs from Parachlorella kessleri , a green algae aqueous extract, where the synthesized particles were in the size range of about 20 nm and exhibited excellent stability over a year. Other Algal sp, such as Pithophora oedogonia , Sargassum wightii and Plectonema boryanum , have been used successfully to construct Ag, Au and PtNPs, respectively [147,148,149].

Plant-Based Synthesis

Plant- and plant extract-mediated synthesis has been the most commonly reported synthesis methodology [123, 135, 150]. This type of synthesis is designated phytosynthesis. The major advantage of this synthesis method is easy product recovery. In 2003, the team of Gardea-Torresdey et al. was the first to illustrate the synthesis of metal nanoparticles (AgNPs) using a living plant system with alfalfa sprouts (Medicago sativa ) in an agar medium. The roots possess the tendency to absorb the Ag from the medium and transport it along the shoot of the system in the same oxidation state, in the shoot the Ag atoms are further arranged to form AgNPs. Similarly, another study employed the alfalfa plant secretome to reduce Au ⁺ to Au ⁰ , which also followed a similar procedure to produce AuNPs [151]. Plant-extract-mediated synthesis uses a plant component (leaves, stems, roots, shoots, flowers, barks and seeds) extract for the synthesis of NPs, the major advantage of this method is the ability of the extract to serve as both the reducing and stabilizing agent [152]. This method has been proved to be the most cost efficient and user friendly method to produce nanoparticles with long-term stability. In 2016, the team of Balashanmugam et al. demonstrated the phytogenic synthesis of AgNPs from Cassia roxburghii aqueous leaf extract. The synthesized AgNPs were in the size range of about 35 nm and exhibited excellent stability over a year. This method also facilitated the synthesis of both individual and bimetallic particles. Neem (Azadirachta indica ) leaf extract was successfully used by Shankar et al. [153] to prepare silver, gold and bimetallic Au/Ag core–shell NPs. Similar plant extracts (bark, leaf, fruit and gum) have been used by several researchers to produce a variety of NMNPs [153,154,155]. Currently, light-induced nanoparticles are in the spotlight, as this procedure facilitates faster synthesis during the exposure of the mixture to sunlight. Kumar et al. [156] used Erigeron Bonariensis aqueous leaf extract for the synthesis of silver nanoparticles that yielded spherical and oval-shaped AgNPs with a size range of 13 nm (TEM size). The crucial parameters to be considered in this synthesis are the light exposure time and the concentration of the plant extract in the reaction system.

Conclusion

Several physical, chemical as well as biological methods have been developed for the synthesis of NPs. All these processes are widely used based on the utility and applicability of the nanoproducts. However, each of the existing protocols suffers from certain drawbacks and also most of these processes cannot be scaled up for large-scale production. Thus, the development of alternative processes to fabricate NPs with controlled and tunable properties is still an open challenge.

Disponibilité des données et des matériaux

Not applicable.

Abréviations

NM:

Noble metals

NPs:

Nanoparticles

NMNPs:

Noble metal nanoparticles

AuNPs:

Gold nanoparticles

AgNPs:

Silver nanoparticles

PtNPs:

Platinum nanoparticles

NMNCs:

Noble metal composites

PVD:

Physical vapor deposition

SDS:

Sodium dodecyl sulfate

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

PEG:

Polyethylene glycol

AuCl₃ :

Gold chloride

NADH:

Nicotinamide adenine dinucleotide

TEM :

Microscopie électronique à transmission