Approches avancées pour la synthèse de nanoparticules de métaux nobles

Résumé

Les métaux nobles ont joué un rôle essentiel dans l'histoire humaine pendant des siècles ; toutefois, leur intégration aux avancées récentes en nanotechnologie et en science des matériaux a ouvert de nouvelles opportunités de recherche, tant dans le milieu académique qu'industriel, donnant lieu à un large éventail d'applications avancées, notamment médicales. Les nanoparticules de métaux nobles (NMNPs) revêtent une importance majeure en biomédecine depuis quelques décennies en raison de leur rôle dans les soins de santé personnalisés et le diagnostic. En particulier, les nanoparticules de platine, d'or et d'argent occupent la place dominante, grâce à une gamme très diversifiée d'applications industrielles, y compris biomédicales telles qu'agents antimicrobiens et antiviraux, diagnostics, vecteurs de médicaments et sondes d'imagerie. Leur résistance supérieure aux conditions extrêmes de corrosion et d'oxydation est particulièrement appréciée. Au cours des deux dernières décennies, on a assisté à une avancée considérable dans le développement de nouvelles stratégies de synthèse des NMNPs, plus rentables et robustes, fournissant des matériaux aux propriétés physicochimiques, optiques, thermiques et fonctionnalités biochimiques hautement ajustables. En conséquence, de nouveaux NMNPs hybrides avancés avec des polymères, du graphène, des nanotubes de carbone, des points quantiques et des systèmes cœur-coquille ont été développés, présentant des caractéristiques physicochimiques encore améliorées, menant à des applications diagnostiques et thérapeutiques exceptionnelles. Cette revue vise à résumer les avancées actuelles dans la synthèse des NMNPs (Au, Ag et Pt).

Introduction

Les métaux nobles sont utilisés depuis très longtemps, remontant à la première civilisation égyptienne, et ont toujours été considérés comme un signe de pouvoir et de richesse supérieurs. On les retrouve ainsi dans l'histoire sous forme d'œuvres d'art coûteuses, de monnaies, de bijoux, etc. [1]. Ces métaux sont généralement plus chers que les autres en raison de leur disponibilité dans la croûte terrestre [2, 3]. Grâce à leur nature robuste et leur résistance aux conditions extrêmes de corrosion et d'oxydation, ils sont largement employés dans l'aérospatiale, l'automobile, la chimie, l'énergie, l'électricité, l'électronique et, plus important encore, dans la santé (des équipements chirurgicaux aux agents de contraste en imagerie) [4, 5].

Au cours des deux dernières décennies, la nanotechnologie s'est avérée être la technologie d'avenir la plus prometteuse, offrant d'innombrables possibilités. Le soutien multidisciplinaire des secteurs académique et industriel en a fait le domaine en expansion la plus rapide, avec des résultats très prometteurs [6,7,8]. Actuellement, le bond technologique dans la synthèse et le contrôle des métaux à l'échelle nanométrique a offert d'immenses opportunités de recherche pour progresser dans les soins de santé personnalisés, le diagnostic et les thérapies [9,10,11]. Les nanoparticules métalliques (MNPs) sont devenues les plus étudiées en raison de leurs propriétés physicochimiques impressionnantes et de leur grand rapport surface/volume par rapport à leur matériau massif. Pour les applications biomédicales, les NMNPs s'imposaient naturellement du fait de leur résistance aux environnements hostiles. Elles ont été appliquées dans des tests diagnostiques hautement sensibles, comme enhanceurs d'ablation thermique en radiothérapie, et comme vecteurs de médicaments et de gènes [3, 12, 13].

La récente convergence de la nanotechnologie avec la science des matériaux a conduit au développement de nouveaux matériaux nanocomposites aux propriétés thermiques, catalytiques, électriques, optiques et mécaniques grandement améliorées par rapport aux composants individuels. Notamment, les composites à base de NMNPs ont suscité un grand intérêt de recherche en raison de leurs propriétés physicochimiques impressionnantes qui jouent un rôle vital dans la modification des blocs de construction à l'échelle nanométrique, aboutissant à de larges applications en catalyse (principalement électrocatalyse), optique, nanomédecine et 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 diagnostic [2, 18]. De même, les 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 des méthodes plus faisables et efficaces pour la formation de nanocomposites de métaux nobles (NMNCs).

En raison de la petite taille des AuNPs et PtNPs et des NMNPs, de leur grand rapport surface/volume et de leur capacité à assister les processus de transfert d'électrons à haut rendement, ils sont des candidats idéaux pour des applications comme capteurs électrochimiques [27,28,29]. Les propriétés optiques des NMNPs ont servi de sujet à de nombreuses études, en particulier pour les AgNPs et AuNPs. Ces NPs sont capables de répondre différemment à différentes longueurs d'onde de la lumière (diffusion extensive du visible au proche infrarouge avec l'or), et sont donc appliquées comme enhanceurs de signal en spectroscopie Raman à amplification de surface (SERS), résonance de plasmon de surface localisée et autres spectroscopies de diffusion par résonance [30,31,32,33]. Grâce à leurs propriétés optiques largement ajustables et leur biocompatibilité, les AuNPs ont été appliqués en thérapie photothermique et imagerie in vivo (imagerie photoacoustique) des tumeurs [34,35,36]. Récemment, les AgNPs ont également démontré leur potentiel en thérapie photothermique, où ils sont généralement appliqués sous forme de systèmes cœur-coquille Ag ou de composites (avec oxyde de graphène réduit/nanotubes de carbone) [37,38,39]. La biocompatibilité des NMNPs avec les cellules et tissus a ouvert une large applicabilité en diagnostic [14]. Les biosenseurs à base de NMNPs et NMNCs (notamment graphène) ont joué un rôle clé dans l'amélioration de la précision et de la spécificité, offrant un avantage sur les méthodes de diagnostic biomoléculaire existantes [40, 41]. Généralement, les AuNPs et PtNPs sont employés dans le développement de nouveaux biosenseurs et sondes en raison de leur capacité à s'adsorber aux biomolécules, ainsi que de leur conductivité et stabilité supérieures [42,43,44,45]. En conséquence, les NMNPs eux-mêmes ou sous forme de NMNCs sont appliqués comme immunosenseurs [46], biomolécules pour la détection [47] et nanoprobes (pour l'imagerie cellulaire in vivo, le suivi et l'étude de la pathogenèse de la progression des maladies) [2, 6, 48]. Malgré tous ces avantages, de nombreuses questions et débats persistent concernant leur profil de sécurité dans le corps humain [49,50,51].

Dans cette revue, nous présentons un panorama des méthodologies de synthèse des NMNPs (Ag, Au et Pt) et NMNCs (avec Ag, Au et Pt) ainsi que leurs développements actuels en applications biomédicales comme thérapeutiques et diagnostics, y compris la synergie exhibée par les NMNCs avec les NMNPs en termes de performance améliorée, sujet d'actualité dans la recherche sur les matériaux.

Tendances actuelles dans la synthèse des NMNPs

Méthodes de synthèse des NMNPs

La préparation des NPs suit essentiellement deux approches distinctes : (1) l'approche « top-down » (méthode destructive) et (2) l'approche « bottom-up » (méthode constructive) (Fig. 1).

Les procédés top-down consistent à fragmenter des matériaux massifs en particules plus petites de dimensions nanométriques en utilisant diverses méthodes physiques et chimiques. En revanche, dans l'approche bottom-up, les NPs sont produites par auto-assemblage d'atomes, de molécules ou d'amas. Les approches top-down impliquent des processus contrôlés externement de découpe, fraisage et mise en forme des matériaux selon 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 induites par rayonnement [66,67,68] appartiennent à cette catégorie. Cependant, cette approche présente une limitation majeure : la structure de surface imparfaite des MNPs résultants, qui affecte substantiellement leurs propriétés physiques et chimiques [1]. De plus, cette méthode nécessite une quantité énorme d'énergie pour maintenir les conditions de haute pression et haute température pendant la procédure de synthèse, ce qui rend le processus coûteux.

Dans les méthodes bottom-up, les NPs sont assemblées à partir des atomes, amas et molécules correspondants en utilisant des procédures chimiques ainsi que biologiques. L'approche bottom-up s'est avérée avantageuse, car elle offre un bien meilleur contrôle sur la formation du produit final avec une taille, une forme (paramètres physiques) et une composition chimique plus homogènes. De plus, cette approche est généralement moins coûteuse. L'approche bottom-up est communément une procédure de synthèse chimique en milieu humide, telle que la réduction chimique [69, 70], électrochimique [71,72,73], sonochimique [74, 75] et la synthèse 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 défi majeur qui jette le doute sur leurs applications biomédicales, excepté pour les méthodes de synthèse verte.

Approches Top-Down

Pulvérisation cathodique (Sputtering)

La pulvérisation cathodique est l'un des protocoles de synthèse les plus couramment utilisés, qui inclut le dépôt de NPs sous forme de couche mince générée par la collision d'ions sur le substrat, suivie d'un recuit. Cette méthode est également appelée 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 et la température de recuit, qui influencent directement la taille et la forme des NPs [55, 80, 81].

Micropatterning

Le micropatterning, technique populaire employée dans les biosenseurs, puces à ADN, ingénierie tissulaire et études cellulaires [82], est également utilisé dans la synthèse de MNPs. En général, cette technique équivaut à un processus d'impression dans lequel un matériau est découpé ou formé selon la forme et la taille requises, soit avec un faisceau lumineux ou électronique, pour la synthèse de réseaux nanostructurés à partir d'un précurseur approprié. C'est une méthode à basse température, sans vide, qui utilise la photolithographie pour la synthèse de MNPs, employant le frittage laser d'encre MNP [83, 84]. Outre la photolithographie, de nombreuses techniques de lithographie ont été développées, telles que la lithographie par balayage, nanoimpression molle, colloïdale, nanosphère et lithographie par faisceau d'électrons [2, 57, 85, 86].

Fraisage (Milling)

Le fraisage est généralement considéré comme la vitrine des processus top-down, car il implique la rupture directe de matériaux massifs en micro/nanostructures. Dans le fraisage mécanique, l'énergie cinétique des rouleaux/billes est transférée au matériau massif, 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 NPs [88, 89]. Différentes techniques ont été développées pour surmonter ces contraintes, notamment les broyeurs à secousses, broyeurs rotatifs, broyeurs vibrants, broyeurs d'attrition et broyeurs planétaires.

Ablation laser

L'ablation laser est l'une des méthodes considérées comme un remplacement approprié aux méthodes chimiques conventionnelles en raison de ses temps de traitement rapides, offrant un meilleur contrôle sur la taille et 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 par un faisceau laser, conduisant à un panache de plasma à faible flux, qui est finalement évaporé ou sublimé pour former des NPs [93]. À un flux plus élevé, les matériaux sont convertis en plasma. L'absence de nécessité d'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 MNPs, qui s'est avérée plus efficace que les techniques standard [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 MNPs [78]. C'est un processus de décomposition chimique endothermique qui utilise la chaleur pour rompre les liaisons chimiques du composé, entraînant la décomposition du précurseur, le forçant dans une réaction chimique produisant des NPs ainsi que d'autres sous-produits sous forme de cendres. Par un traitement ultérieur des cendres solides obtenues, les NPs sont récupérées. La pyrolyse est fréquemment utilisée pour la préparation de MNPs nobles [56, 96, 97]. La consommation excessive d'énergie est l'un des inconvénients les plus importants de cette méthode.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

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

Approches Bottom-Up

Réduction d'ions métalliques en solution

Cette approche implique la réduction d'ions métalliques à partir de leurs sels ioniques en utilisant divers agents réducteurs chimiques en présence d'un agent stabilisant sous des paramètres de réaction favorables (pH, température, etc.). Cette procédure est la plus courante et la plus fiable de toutes les approches bottom-up en raison de sa simplicité [2, 99]. Une liste étendue d'agents réducteurs est disponible pour ce processus, incluant le citrate de sodium [10, 100], l'acide tannique [99], l'hydrure de sodium borohydride [101], l'hydrazine, l'hydrogène, l'hydrure de lithium et d'aluminium, et les alcools [2, 60]. De même, pour les agents stabilisants, il existe de nombreuses options, qui se divisent généralement en deux catégories : (1) faible poids moléculaire (ex. : citrate, SDS, chitosane, etc.) et (2) haut poids moléculaire (ex. : amidon, tween, PVP, PEG, DISPERBYK, etc.). Les stabilisants de faible poids moléculaire (généralement détergents chargés) ont tendance à modifier la charge de surface des particules synthétisées et à maintenir la force répulsive entre elles, empêchant l'agrégation ; ce type de stabilisant ne protège généralement pas bien contre les facteurs de stress environnementaux (en particulier les changements de température de stockage et l'exposition à la lumière). Les stabilisants de haut poids moléculaire enveloppent généralement les particules et les protègent des contraintes environnementales. Ils se sont avérés plus efficaces que les stabilisants de faible poids moléculaire. Malgré leurs avantages, leurs applications biologiques et propriétés catalytiques sont discutables en raison de la couche épaisse 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 le rapport entre l'agent réducteur et l'agent stabilisant). Tyagi et son équipe ont produit des AuNPs [104] en utilisant la méthode de réduction au citrate à température ambiante, à pH 3 avec des rapports molaires de 2:1 et 5:1 de citrate à AuCl₃, produisant des particules de taille moyenne de 28 et 25 nm, respectivement. À ce pH, la réaction était beaucoup plus rapide qu'à d'autres valeurs de pH. Ils ont également montré que des AuNPs de formes différentes, telles que prismes, bâtonnets et sphères, étaient formées à des valeurs de pH variant de 3 à 6 (avec un rapport molaire de 2:1 de citrate à AuCl₃). Dans une autre étude d'Agnihotri et al. [105], qui ont appliqué une méthode de réduction au citrate similaire pour la synthèse d'AgNPs, ont obtenu des particules de taille moyenne de 5 nm à la plus forte concentration 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] a décrit la synthèse de nanoparticules de platine hautement stables et monodispersées sous forme d'hydrosols pour des applications électrocatalytiques.

Microémulsion

La fabrication de NPs métalliques basée sur les microémulsions suscite un grand intérêt et s'est également imposée comme une méthode efficace offrant un meilleur contrôle sur 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 présentent généralement une tension interfaciale ultra-faible, une grande surface interfaciale et une stabilité thermodynamique [107]. La première synthèse de NMNPs basée sur microémulsion a été décrite par l'équipe de Muñoz-Flores et al. [58, 108, 109] qui ont synthétisé des NPs de platine, palladium et rhodium. Dans la synthèse de NPs basée sur microémulsion, deux microémulsions séparées sont préparées, l'une contenant le sel ionique et l'autre l'agent réducteur produit dans un environnement amphiphile. La collision entre les émulsions entraîne le mélange des réactifs et réduit les ions du sel en atomes neutres, qui forment ensuite des nanoparticules [2]. Les systèmes eau-dans-huile sont généralement employés pour la synthèse de nanoparticules métalliques, et comme les nanoparticules produites par cette méthode sont dérivées sous forme d'émulsions, elles sont généralement thermodynamiquement stables. Selon les besoins, ce processus peut également être adapté pour synthétiser un type spécifique de nanoparticule en modifiant le rapport tensioactif/huile. Cela permet de contrôler la taille et la forme des particules [110].

Méthodes électrochimiques

Les procédés électrochimiques sont couramment employés pour la synthèse de NMNPs et de nanocomposites, principalement utilisés pour leurs propriétés catalytiques et récemment dans des applications biomédicales comme biosenseurs [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 à l'anode pour obtenir 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 influencent directement les paramètres physiques des NPs [53]. Actuellement, la synthèse de nanocomposites (notamment ceux avec graphène) par méthodes électrochimiques est préférée à la synthèse de NPs [113].

Méthodes de synthèse induites par rayonnement

Cette méthode utilise le rayonnement ionisant (en particulier le rayonnement gamma, incluant les rayons X et la lumière UV) pour la synthèse de nanoparticules métalliques. Elle s'est avérée très efficace par rapport aux méthodes conventionnelles de synthèse de NPs, car elle fournit des nanoparticules métalliques entièrement réduites, hautement pures (sans sous-produits). Le sujet a été bien couvert dans plusieurs revues [59, 66, 114, 115]. Dans ce processus, une solution aqueuse d'agent réducteur et stabilisant est exposée à la radiolyse médiée par rayonnement, ce qui conduit à la formation de NPs. Pendant l'exposition au rayonnement, les molécules d'eau se brisent, produisant des produits transitoires qui agissent comme de forts agents oxydants ou réducteurs et réduisent les ions métalliques en atomes métalliques neutres, qui nucléent ensuite pour former des NPs. Les techniques de rayonnement synchrotron X ont permis de surveiller les trajectoires de croissance des NPs colloïdales en temps réel [116]. Les paramètres physiques critiques pour la synthèse des NPs incluent la dose de rayonnement, le pH du système et le type de solvant utilisé dans la synthèse [117]. Récemment, la synthèse induite par rayonnement a été utilisée pour la production d'AgNPs stabilisés par Tween 80 pour des applications antibactériennes [118].

Méthodes de synthèse verte assistées par micro-ondes

Généralement, la synthèse assistée par micro-ondes est également connue sous le nom de synthèse « one-pot » et implique la synthèse de NPs à partir de sels et de solutions de tensioactifs. C'est une méthode hautement fiable, rapide et facile qui permet un contrôle sur la morphologie des NPs synthétisées [2]. Cette méthode fonctionne sur le principe de l'interaction dipolaire (les molécules ont tendance à s'aligner et à osciller en phase avec le champ électrique oscillant des micro-ondes, les collisions et frottements entre elles causent de la chaleur) et la conduction ionique (le champ électrique génère un mouvement ionique car les molécules essaient de s'orienter vers le champ changeant rapidement, causant un surchauffe instantanée) produisant un effet de chauffage qui entraîne la réduction des ions métalliques en NPs [119, 120]. Le temps d'irradiation micro-ondes et la concentration du réactif déterminent principalement les paramètres morphologiques des NPs. Récemment, des propriétés physiques telles que la monodispersité et la taille des grains de NPs de magnétite superparamagnétique préparées par synthèse assistée par micro-ondes ont été contrôlées par l'injection d'humate-polyanion à différents stades 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 NMNPs. Cela a conduit à l'exploration d'autres méthodes écologiques avec une utilisation minimale de produits chimiques. Les méthodes de synthèse verte employant des extraits de plantes, des microorganismes et des biopolymères se sont avérées être de puissants candidats pour remplacer les méthodes chimiques de synthèse de NPs (Fig. 2) [123]. Grâce à des méthodologies plus simples et plus vertes, il y a eu une augmentation exponentielle des publications au cours des deux dernières décennies [52, 124, 125].

Biosynthèse des NMNPs par systèmes biologiques

La quête de méthodes économiquement et environnementalement bienveillantes a conduit à l'exploration des microorganismes 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, ce qui attire les chercheurs à utiliser les microorganismes comme potentielles usines cellulaires pour la préparation de nanomatériaux. Les espèces procaryotes (bactéries) et eucaryotes (algues, champignons et plantes) sont utilisées pour la synthèse verte de NPs [123].

Synthèse de nanoparticules par bactéries

Les bactéries exposées répétitivement 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 la production de 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 jusqu'à 200 nm de taille. La synthèse extracellulaire de NPs a été rapportée pour la première fois par Shahverdi et al. [130], où des AgNPs étaient produites par la réduction d'ions Ag⁺ aqueux par divers surnageants de culture de bactéries Gram-négatives, à savoir Enterobacter cloacae, Escherichia coli et Klebsiella pneumoniae. Le taux de synthèse était bien plus rapide que la synthèse intracellulaire, ce qui a entraîné la synthèse d'AgNPs dans les 5 minutes suivant la rencontre des ions Ag⁺ avec le filtrat cellulaire. Les enzymes réductases extracellulaires produites par les microorganismes, à savoir Bacillus licheniformis et Bacillus clausii, réduisent les ions argent en argent neutre, résultant en particules de taille nanométrique. L'essai protéique de ces microorganismes a révélé que l'enzyme réductase NADH-dépendante 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, entraînant 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]. En outre, plusieurs souches bactériennes (Gram-négatives et Gram-positives), à savoir A. calcoaceticus, B. amyloliquefaciens, B. flexus, B. megaterium et S. aureus, ont également été utilisées pour la biosynthèse extra- et intracellulaire d'AgNPs [123]. De même, les AuNPs et PtNPs 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 utilisées pour produire des nanomatériaux d'or [134, 135]. En outre, les bactéries Shewanella sp. et Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011 ont été utilisées pour la préparation de PtNPs [136, 137]. Bien que la synthèse médiée par bactéries soit prometteuse en termes de nature verte et de contrôle sur la forme et la taille des particules (principalement en synthèse extracellulaire), elle souffre d'inconvénients tels que des difficultés de manipulation et de faibles rendements.

Synthèse par champignons

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

En général, les champignons ont le potentiel de synthétiser des NPs métalliques en raison de leur capacité de bioaccumulation de métaux, leur tolérance, leur forte capacité de liaison et leur absorption intracellulaire comme les bactéries [127]. Les champignons utilisent à la fois des méthodes intracellulaires et extracellulaires pour la synthèse de NPs, la synthèse extracellulaire étant le mécanisme le plus couramment rapporté en raison de leur capacité à produire de grandes quantités d'enzymes extracellulaires qui convertissent les ions Ag⁺ en particules d'argent à l'échelle nanométrique [138,139,140]. Dans la synthèse intracellulaire, les ions Ag⁺ sont adsorbés à la surface cellulaire par l'interaction électrostatique entre les groupes carboxylate chargés négativement dans les enzymes et les ions Ag⁺ chargés positivement. Les ions Ag⁺ sont ensuite réduits par les enzymes présentes dans la paroi cellulaire pour former des AgNPs ; dans ce processus, les NPs se forment à la surface du mycélium, pas en solution. En 2001, la préparation intracellulaire d'AuNPs utilisant Verticillium sp a été rapportée pour la première fois par Mukherjee et al. [141], où les ions Au³⁺ du tétrachloroaurate étaient réduits à l'intérieur des cellules fongiques, résultant en la formation de particules dans la gamme de taille de 20 nm. Vahabi et al. [142] ont employé Trichoderma reesei pour la synthèse d'AgNPs, où le milieu avec biomasse était inoculé avec AgNO₃ et incubé sur une période de 72 h, résultant en la formation d'AgNPs dans la gamme de taille de 5–50 nm. De même, une autre étude de l'équipe de Vigneshwaran et al. [138] a démontré la synthèse intracellulaire d'AgNPs à partir d'Aspergillus flavus et a rapporté que les enzymes dans la paroi cellulaire étaient principalement responsables de la réduction, et les protéines pour la stabilisation. Malgré tous ces avantages tels que la synthèse plus rapide et un meilleur contrôle sur la taille et la forme des particules synthétisées, les processus intracellulaires souffrent d'un inconvénient majeur en termes de récupération du produit qui rend le processus difficile et coûteux, car les NPs se lient à la cellule. Par conséquent, la synthèse extracellulaire est préférée. Dans la synthèse extracellulaire, le bouillon/suspension sans cellules est utilisé dans le processus de synthèse, ce qui s'avère plus respectueux de l'environnement et rentable. En 2016, l'équipe de Balakumaran et al. [143] a utilisé une suspension sans cellules d'Aspergillus terreus pour la synthèse d'AuNPs et AgNPs, résultant en des nanoparticules sphériques dans la gamme de taille de 8–20 nm et 10–50 nm pour AgNPs et AuNPs, respectivement. L'évaluation FTIR des particules a confirmé la liaison des protéines avec les NPs.

Synthèse par algues

La synthèse de NPs médiée par les algues utilise quatre méthodes différentes : (1) des cellules algales entières sont récoltées de leur milieu de culture à un stade de croissance donné par centrifugation et dispersées directement dans une solution aqueuse du sel métallique ; (2) extrait aqueux sans cellules fabriqué à partir de cellules fraîchement récoltées ou lyophilisées ; (3) un filtrat aqueux ou surnageant d'algues fraîches ou séchées broyées ; et (4) un filtrat aqueux d'un bouillon algal. La synthèse médiée par extrait est le mécanisme de synthèse à base d'algues le plus couramment rapporté [131, 144]. L'accumulation d'or élémentaire sous forme d'AuNPs (9–20 nm) a été notée avec une suspension de cellules séchées de Chlorella vulgaris par Hosea et al., qui ont également rapporté une augmentation de la concentration d'or avec le temps, prouvant la capacité des cellules algales à absorber et réduire les ions or à partir de l'acide tétrachloroaurique [145]. Velgosova et al. [146] ont rapporté la synthèse d'AgNPs hautement stables à partir de Parachlorella kessleri, un extrait aqueux d'algue verte, où les particules synthétisées étaient dans la gamme de taille d'environ 20 nm et présentaient une excellente stabilité sur plus d'un an. D'autres espèces algales, telles que Pithophora oedogonia, Sargassum wightii et Plectonema boryanum, ont été utilisées avec succès pour construire des AgNPs, AuNPs et PtNPs, respectivement [147,148,149].

Synthèse par plantes

La synthèse médiée par plantes et extraits de plantes a été la méthodologie de synthèse la plus couramment rapportée [123, 135, 150]. Ce type de synthèse est désigné sous le terme de phytosynthèse. L'avantage majeur de cette méthode de synthèse est la récupération facile du produit. En 2003, l'équipe de Gardea-Torresdey et al. a été la première à illustrer la synthèse de nanoparticules métalliques (AgNPs) en utilisant un système de plantes vivantes avec des pousses de luzerne (Medicago sativa) dans un milieu agar. Les racines possèdent la tendance à absorber l'Ag du milieu et à le transporter le long de la tige du système dans le même état d'oxydation ; dans la tige, les atomes d'Ag sont ensuite arrangés pour former des AgNPs. De même, une autre étude a employé le sécrétome de la plante de luzerne pour réduire Au⁺ en Au⁰, ce qui a suivi une procédure similaire pour produire des AuNPs [151]. La synthèse médiée par extrait de plante utilise un composant de plante (feuilles, tiges, racines, pousses, fleurs, écorces et graines) pour la synthèse de NPs ; l'avantage majeur de cette méthode est la capacité de l'extrait à servir à la fois d'agent réducteur et stabilisant [152]. Cette méthode s'est avérée être la plus rentable et conviviale pour produire des nanoparticules avec une stabilité à long terme. En 2016, l'équipe de Balashanmugam et al. a démontré la synthèse phyto-génique d'AgNPs à partir d'extrait aqueux de feuilles de Cassia roxburghii. Les AgNPs synthétisés étaient dans la gamme de taille d'environ 35 nm et présentaient une excellente stabilité sur plus d'un an. Cette méthode a également facilité la synthèse de particules individuelles et bimétalliques. L'extrait de feuilles de neem (Azadirachta indica) a été utilisé avec succès par Shankar et al. [153] pour préparer des NPs cœur-coquille d'argent, d'or et bimétalliques Au/Ag. Des extraits de plantes similaires (écorce, feuille, fruit et gomme) ont été utilisés par plusieurs chercheurs pour produire une variété de NMNPs [153,154,155]. Actuellement, les nanoparticules induites par la lumière sont sous les projecteurs, car cette procédure facilite une synthèse plus rapide lors de l'exposition du mélange à la lumière du soleil. Kumar et al. [156] ont utilisé un extrait aqueux de feuilles d'Erigeron bonariensis pour la synthèse de nanoparticules d'argent qui a produit des AgNPs sphériques et ovales avec une gamme de taille de 13 nm (taille TEM). Les paramètres cruciaux à considérer dans cette synthèse sont le temps d'exposition à la lumière et la concentration de l'extrait de plante dans le système réactionnel.

Conclusion

Plusieurs méthodes physiques, chimiques et biologiques ont été développées pour la synthèse de NPs. Tous ces processus sont largement utilisés en fonction de l'utilité et de l'applicabilité des nanoproduits. Cependant, chacun des protocoles existants souffre de certains inconvénients et la plupart de ces processus ne peuvent pas être mis à l'échelle pour une production à grande échelle. Ainsi, le développement de procédés alternatifs pour fabriquer des NPs avec des propriétés contrôlables et ajustables reste un défi ouvert.

Disponibilité des données et matériaux

Non applicable.

Abréviations

NM :

Métaux nobles

NPs :

Nanoparticules

NMNPs :

Nanoparticules de métaux nobles

AuNPs :

Nanoparticules d'or

AgNPs :

Nanoparticules d'argent

PtNPs :

Nanoparticules de platine

NMNCs :

Composites de métaux nobles

PVD :

Dépôt physique en phase vapeur

SDS :

Dodécylsulfate de sodium

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

PEG :

Polyéthylène glycol

AuCl₃ :

Chlorure d'or

NADH :

Nicotinamide adénine dinucléotide

TEM :

Microscopie électronique à transmission