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Introduction
Aux nanobiotechnologies
Eric Lesniewska
Institut Carnot Bourgogne UMR CNRS 5209 – Département Nanoscience – Dijon
[email protected]
INTRODUCTION
NANOTECHNOLOGIES

Concerne les
 Matériaux
 Moyens
 Procédés
Mis en œuvre pour réaliser
 Des produits
 Des composants
 Des structures
Dont les dimensions ont pour ordre de grandeur
le nanomètre (dizaine d’atomes) et l’ultraprécision
INTRODUCTION

Nanosciences :
Etude des phénomènes qui régissent les propriétés des objets dont la
taille varie de celle de l’atome à la centaine de nanomètres.

Nanotechnologies :
Champ de recherche sur le développement, la caractérisation, la
fabrication et les applications de dispositifs à partir de procédés
permettant de structurer la matière à des échelles caractéristiques
comprises approximativement entre 1 et 100 nanomètres.
INTRODUCTION - Objectifs

Objectifs des nanotechnologies
Amélioration de la sensibilité et de la résolution des
méthodes de caractérisation et de fabrication «classiques»
Sensibilité :
- Détecter des effets de plus en plus fins
- Travailler sur des quantités de moins en moins grandes
Résolution :
- Fabriquer des structures de plus en plus réduites
- Parallèlement les caractériser
INTRODUCTION
LE NANOMONDE C’EST…

De la visualisation à la manipulation

Du collectif à l’individuel (molécule unique)
Plan

Motivations des nanobiotechnologies

Quelles sont les principes associés aux
nanobiotechnologies ?

Quelles sont les applications ?

Quelles sont leurs limitations ?

Quelles sont les évolutions ?
Origines – Nanobiotechnologies
Qu’est-ce que les nanobiotechnologies?
 Application des nanosciences et des nanotechnologies aux
organismes vivants ainsi qu’à leurs composants, produits et
modèles afin de modifier des matériaux vivants ou inertes dans
le but de produire des connaissances, des biens et des
services.
 Présentes dans de nombreux secteurs différents, de la
recherche en santé à l’agriculture et à la nutrition, en passant
par les bioproduits et les biotechnologies industrielles.
Savoir-faire se développe en biopharmaceutique grâce une
compétence croissante en génomique, en protéomique, en
bioinformatique, en immunothérapie, de même qu’en ingénierie
des protéines et dans les nouveaux systèmes de distribution
des médicaments.
Identification de séquences
d'ADN, aspect de
fluorescence d'une biopuce
Motivations – Nanobiotechnologies
Secteur stratégique
Les nanobiotechnologies sont un secteur
stratégique de la recherche, très compétitif, en
croissance rapide, avec un potentiel économique
considérable dans de nombreux domaines :
• médecine et biologie,
• matériaux et chimie, pharmacie,
• énergie et environnement.
Bases
“Nanotechnologie : Méthode pour créer des structures utiles dans un matériau avec
des dimensions < 100 nm
Auto-assemblage : Croissance à l’équilibre thermodynamique de structures < 100 nm
Motivations – Nanobiotechnologies
Historique
Motivations – Nanobiotechnologies
Etapes importantes
1989 D. Eiger de chez IBM écrit les lettres “IBM” avec des atomes
1991 S.Iijima de NEC Japon découvre nanotubes de carbone.
1993 W. Robinett de l’Univ North Carolina et R. Stanley Williams of UCLA
mettent en place un système virtuel de réalité connecté à un Scanning
Tunneling Microscope (STM) qui permet de voir et de toucher des atomes
1998 Delft University of Technology aux Pays Bas crée un transistor à partir
d’un nanotube de carbone
105
Diamètre 8 mm
Transistor Bell 1947
101
80 nm
CMOS Transistor
4 nm
Corail quantique
Microscopie à effet tunnel (1986)
Explorer le nanomonde
1er outil  Microscope STM (Scanning Tunneling Microscope)
 Application d’une tension de quelques volts entre la pointe et la surface.
 Courant électrique établit dès lors que la pointe est à quelques nm de la surface !
Effet tunnel
Cristaux
piézoélectriques
Pointe STM
La pointe, dirigée par des cristaux piézo-électriques, balaie la surface
et suit sa géométrie.
Résolution atomique
Terrasses d’une
surface d’argent
Terrasses d’or
Atome sur surface d’argent
Atomes
Atomes des
terrasses
atomiques
d’argent
Etude du mouvement d’atomes
Explorer le nanomonde : Etude du déplacement des atomes
Pourquoi observe-t-on
un mouvement ?
UHV-STM
Manipulation d’atomes par une pointe
Manipuler le nanomonde : Manipuler des atomes
Principe
Modélisation du déplacement
d’une molécule par la pointe
Corail quantique : constitué de 48 atomes de Fer,
reposant sur une surface de cuivre.
Structure de 143 nm de diamètre, servant à confiner
des ondes.
Atomic Force Microscopy
Imagerie atomique, moléculaire et cellulaire
Laser diode
Photodiode 4-quadrants
Force d’interaction
Mode d’acquisition
Microscopie à force atomique (AFM)
Comment imager une surface à l’échelle nanométrique ?
Levier AFM
Pointe pyramidale Si ou Si3N4
Rayon de pointe < 10 nm
Imagerie par balayage
de
Fibres de collagène
Image 3D
Profilomètre
À force constante <100pN
Force
Microscopie à force atomique (AFM)
Comment étudier la cohésion entre surface à l’échelle nanométrique ?
Mesure de cohésion
Si3Ni4 probe
Sphere probe
Crystal probe
Force
Contact point
C-S-H probe
Repulsive regime
Attractive regime
Interaction exerted between #1 and #2
Approach
Retract
Motivations – Image 3D
(X-Y) 10 nm (Z) 0.5 nm
Image 3D
Résolution atomique
Préparation minimale des échantillons
Observation en liquide, à l’air, sous vide
(X-Y) 150 nm (Z) 2 nm
(X-Y) 10 µm (Z) 5 nm
Atomic resolution on
Gypsum {010} face
CaSO4 ,2H2O
Sub-units of cholera toxin B
ss-DNA
Living non-Epithelial Cells
External membrane
Internal membrane
Fibroblast CV-1
Range : 80 µm
Range : 3 µm
Range : 800 nm
Range : 100 nm
Proteins
Actin filaments
Range : 1 µm
Range : 600 nm
Range : 500 nm
Range : 300 nm
Inter-membrane proteins
Access to temperature-dependent reorganization of cell surface vs cytoskeleton
Scan 60 µm
Living CV1 cells, tapping mode, f(temperature)
Reorganization of membrane and cytoskeleton topography as a function of time
effects of
DBcAMP
on
phagocytic
activity
5 min
30 min
OK cells response to second messanger
+10 mM dbcAMP, 20 min 20 min after washing
Height
Amplitude
deflexion
Changes in cell surface topography with reversible formation of large, flat, domains
Imagerie par AFM
Protofilaments de tubuline
75 nm
Protofilaments
De « raides » à « anneaux »
75 nm
Résultats:
- Courbure = f(temps)
(GTP  GDP + Pi)
- 30 tub / anneau
Ultrasonic holography microscopy
fP>>f0
Principle
Acoustic wave on the probe
Super resonant
Acoustic reference
Wave excitation
f0
Acoustic wave on the sample
Cantilever oscillation
specimen
Standing wave on the
sample surface
characteristic of the
sub-surface
Specimen
transducer
Super resonant acoustic
object wave excitation
fS>>f0
NO subsurface feature
present
Surface
acoustic
standing
wave
A subsurface feature
present
Application on living cells
Living human skin cells (HaCat) in
culture solution (dMEM+10% FCS)
HaCaT control
Stress induced by the glyphosate [50mM]
(active ingredient of the Round-upTM )
during 30 min. Rinsed and observed in
buffer.
Induced stress
Agregation of chromatin in nucleus
Release of cytosol
AFM images of living human skin cells (HaCat) in culture solution
250 000 control cells /1ml / 1 day of culture
HaCaT control
150 000 stressed cells / 1ml / 1 day of culture
HaCaT stressed
SNFUH will bring new informations?
SNFUH on living Cells
Information from underneath the cell membrane
Identification of the structure:

Golgi apparatus, intracellular vesicle… large vacuolar structures?
fs = 4.463 MHz
fp = 4.500 MHz
∆f = 37 kHz
fs = 4.463 MHz
fp = 4.501 MHz
∆f = 38 kHz
Increase of Df
fs = 4.463 MHz
fp = 4.502 MHz
∆f = 39 kHz
U. Kanazawa, U. Linz,
ICB, Institut Curie, CBS
Implementation on High-Speed AFM
for cell and protein investigations
Implementation on cell manipulation & electroporation
devices for individual cell addressing
ADN+protein
interaction
Motivations – Nanobiotechnologies
Existence d’outils d’investigation
Besoin de miniturisation
La miniaturisation des méthodes physiques d'analyse a fourni la possibilité
d'observer et de manipuler des molécules individuelles et des nano-objets, tant
en Chimie qu'en Biologie.
La création de nanostructures par des méthodes d'autoassemblage, à partir
d'édifices supramoléculaires, souvent en relation avec des systèmes
biologiques, a permis le développement accéléré de ces nanotechnologies et
de leurs applications potentielles en terme de nouveaux outils analytiques, de
nanomachines et de nanoréacteurs.
Nanomoteur biologique=moteur brownien
(ARN-polymérases=enzyme impliquées
dans la transcription – étape de synthèse
des protéines à partir de l’ADN)
convertissent l’énergie chimique en
mouvement
Plan

Motivations des nanobiotechnologies

Quelles sont les principes associés aux
nanobiotechnologies ?

Quelles sont les applications ?

Quelles sont leurs limitations ?

Quelles sont les évolutions ?
Comment créer du nano ?
Trois approches
- Du massif au nanomètre : « Top-Down »
Consiste à miniaturiser par les moyens de réduction de
taille des dispositifs existants.
Issue de la microélectronique
- Du nanomètre au réel : « Bottom-Up »
Consiste à assembler (ou à faire s'auto assembler)
des motifs atomiques ou molécules afin de constituer des
objets nanométriques. Issue de la biologie/nanoscience
- Mixte : « Nano-inside »
Du nano dans le micro !
Approche Top-Down
TOP-DOWN
En électronique, le procédé utilisé classiquement pour graver les circuits
intégrés est la lithographie optique (ou photolithogravure).
Elle consiste à graver le dessin du circuit dans un support de silice. L'enjeu
étant de réaliser des circuits toujours plus petits, le plus petit motif gravé en
production avait une taille de 90 nm en 2004.
Et, en février dernier, IBM a annoncé avoir gravé des circuits de 29,9 nm. Il
semble toutefois qu'on atteigne là les limites de la miniaturisation par ce
procédé, parce que la longueur d'onde même des rayons utilisés (193 nm pour
l'UV lointain) ne permet pas une résolution plus fine.
La lithographie optique devra donc céder la place à des procédés faisant appel
à des faisceaux de rayons X, d'ions ou d'électrons .
La gravure peut aussi être utilisée pour créer des motifs nanométriques à la
surface d'un matériau. On parle alors d'un substrat nanostructuré.
Les propriétés de surface qui peuvent en résulter sont très importantes,
comme l'illustre parfaitement l'effet lotus
Intégration monolythique ou hybride
Intégration monolithique
- Agencement judicieux de différentes régions
semi-conductrices résultant en des interactions
électriques.
Intégration hybride
- assemblage de différents éléments de puissance
combinés à des systèmes de contrôle, montés sur
une base commune et connectés électriquement
entre eux.
Association
MOS/bipolaire
Intégration sur silicium et substrats isolants des
composants passifs.
 Intégration par
- empillement de puces multi-fonctionnelles,
- fabrication collective sur un même substrat
Inductance
Nanotechnologies basées sur les lasers (3)
Gravure sèche assistée par laser
- Formation de motifs et nanostructures. En raison de leur importance critique
en photonique
- Fabrication, assistée par laser, de nano-bio-architecture pour des
applications en sciences de la vie
Nano-bio-architecture par laser
Développement de composants optoélectroniques à base de nanofils
- Développement pour systèmes de détection biomoléculaires
- Investigation directe de l’électronique et de l’optique avec des édifices
biologiques
 Fabrication de sondes locales
 Stimuli électrique et optique localisés
 Possibilité d’assemblages de détecteur
à base laser à partir de nanofil unique
à faible gap pour effectuer de la
spectroscopie sur molécule unique
ou systèmes biomoléculaires
Nanowire electrical injection laser., b,
Shows an optical image of a functional
laser device described in a,
with emission from the end.
c. Nanowire Avalanche Photodiode.
Analogie de la nature : effet lotus
Effet lotus : quand la nature a horreur de l’eau
- S’inspirer de phénomènes naturels pour fabriquer
des matériaux super-hydrophobes aux
nombreuses applications potentielles.
- Des insectes et plus de 200 plantes avec
propriété d’être super-hydrophobes Cette propriété
permet aux plantes de se protéger de l'eau : à
cause de leur très faible contact, les gouttes
n'adhèrent presque pas aux feuilles et roulent en
emportant les poussières présentes sur la surface.
 Effet lotus = aspect immaculé de ses feuilles.
- Surfaces extrêmement ordonnées = alignements
très réguliers de plots, obtenus par
nanolithographie et microgravure. Ces traitements
de surface peuvent conférer au matériau d'autres
propriétés que la super hydrophobie : ces solides
sont irisés, possédant une « couleur structurelle ».
Analogie de la nature : cerveau
Neuro-chip
- S’inspirer du système nerveux : réseau de
neurones.
- Utilisation pour le pilotage de robot
- Utilisation de logique floue.
Système
nerveux de
lamproie
Moteur du
robot
- Source : P. Fromherz – Max-Planck Institute for
Biochemistry
Approche Bottom-Up
BOTTOM-UP
Même si la réalisation d'une brouette moléculaire représente une avancée
importante vers la manipulation de la matière atome par atome dans le but de
construire un jour des nano-machines, elle reste toutefois anecdotique.
Techniques actuellement à l'étude pour l'assemblage d'atomes, de molécules
ou d'agrégats : procédés physiques, chimiques ou mécaniques.
Nanopoudres
matériaux nanostructurés obtenus par frittage, broyage à haute énergie
(mécanosynthèse)
 Alternative à la gravure pour créer des revêtements aux propriétés
nouvelles.
Un aérosol existe déjà sur le marché qui permet
d'obtenir l'effet lotus grâce à «une combinaison
de nanoparticules avec des polymères
hydrophobes et différentes sortes de cire ».
Manipulation de cellules par champ evanescent





Manipulation de cellules par champ evanescent
Des ondes évanescentes seront crées en envoyant de la lumière à travers l’interface entre
deux milieux d’indice différents (SiO2 n1/milieu de culture n2) à un angle inférieur à l’angle
critique de la réflexion totale (Total Internal Reflection TIR).
Les premières démonstrations de mouvement de microparticules induites par les forces de
champ proche photonique ont été reportées par (S. Kawata and T.Sugiura (1992) Opt. Lett
17, 772).
(a) Ondes évanescentes à l’interface d’un élément biologique. (b) Micro-résonateurs
couplés à des guides de section submicronique en vue de la manipulation cellulaire.
La profondeur de pénétration du champ électrique évanescent est donnée par :
(a)
(a) Ondes évanescentes à l’interface d’un élément
biologique. (b) Micro-résonateurs couplés à des
guides de section submicronique en vue de la
manipulation cellulaire.
Plan

Motivations des nanobiotechnologies

Quelles sont les principes associés aux
nanobiotechnologies ?

Quelles sont les applications ?

Quelles sont leurs limitations ?

Quelles sont les évolutions ?
Applications – Nanobiotechnologies
Industries automobile et aéronautique
Matériaux renforcés par des nanoparticules plus légers (pneus, peinture insalissable, plastiques ininflammables,
textiles autoréparables, capteurs, systèmes micro électromécaniques (MEMS), catalyseurs.)
Industries de l'électronique et des communications
Enregistrement de données (nanocouches , points quantiques,) écrans plats, technologie sans fil, dispositifs
nanofabriqués.
Industries chimique et des matériaux
Catalyseurs, fluides magnétiques intelligents pour les lubrifiants et les joints d'étanchéité, capteurs et filtres pour la
séparation des molécules.
Industries pharmaceutique, biotechnologique
Nouveaux médicaments à base de nanostructures, systèmes d'administration des médicaments ciblant des endroits
précis dans le corps, matériaux de remplacement biocompatibles avec les organes et les fluides humains,
autodiagnostic à domicile, senseurs tenant sur une puce, matériaux pour la régénération des os, des tissus et des
nerfs, capteurs, criblage protéomique à haute vitesse.
Secteur manufacturier
Nouveaux outils et processus pour manipuler la matière à l'échelle atomique, nanopoudres, auto-assemblage de
structures à partir de molécules, matériaux inspirés par la biologie, biostructures…
Énergie
Batteries, photosynthèse artificielle pour production d’énergie, piles à combustibles, revêtements nanostructués,
capteurs, catalyseurs…
Exploration de l'espace
Véhicules spatiaux plus légers, production et gestion plus efficace de l'énergie, systèmes robotiques miniatures...
Environnement
Capteurs, membranes sélectives filtrant les contaminants ou le sel de l'eau, pièges nanostructurés pour l'enlèvement
des polluants des rejets industriels, réduction des sources de pollution, nouvelles opportunités pour le recyclage…
Défense et sécurité
Détecteurs et correcteurs d'agents chimiques et biologiques, circuits électroniques, matériaux et recouvrements
nanostructurés plus résistants, textiles légers auto-réparant.
Nanobiotechnologies
Bio-patterning et nano-adressage
Le « Bio-patterning » et le nano-adressage de biomolécules sont des centres
d’intérêt majeur dans le vaste domaine des nanobiotechnologies, en particulier
dans le cadre de développement de briques technologiques élémentaires qui
combinent des nano-dispositifs, des nano-outils et des biomolécules.
Différents projets peuvent être poursuivis :
• Le dépôt de molécules biologiques sur une surface, à très haute
résolution (sub micronique) sans dénaturation des biomolécules,
• La détection intégrée à la surface de l’interaction spécifique entre
biomolécules (ADN/ADN, protéine/protéine, ADN/protéine) par exemple.
A gauche, image en fluorescence de spots
de solutions protéiques déposés à l’aide du
nano-spotter.
Au centre un nanodispositif à base
d’électrodes inter-digitées après interaction
avec des biomolécules marquées par des
colloïdes d’or.
A droite réponse électrique du nanodispositif
électrique après l’interaction. La sensibilité
est inférieure à 10 molécules.
Nanobiotechnologies (2)
Capteur de force cellulaire
Combinaisons de nanomatériaux magnétiques et
de microposts élastomères
 Les forces biomécaniques peuvent régler le
développement et l'entretien de beaucoup de
tissus humains.
Au niveau des cellules, les forces appliquées
extérieurement peuvent déclencher des forces de
traction produites par les machines contractiles
dans des cellules, et que ces forces règlent
ensemble de nombreuses fonctions comprenant la
prolifération, la différentiation, l'expression du
gène, et la mort cellulaire.
Pour étudier cet accouplement mécaniquement
entre les cellules et leur environnement
 device qui permet d’appliquer des forces à une
cellule par la mise en action magnétique de
quelques microposts et simultanément mesurer
des forces de traction produites à d'autres
microposts sous la cellule.
Nanobiotechnologies (3)
Nanocluster fluorescents pour sonde de
molécule unique
- Synthèse et caractérisation des nanostructures
originales et de leurs applications dans la
recherche biophysique et médicale, telle que leur
utilisation comme formation d’image taguée sur
les acides nucléiques et les protéines.
Les clusters métalliques fluorescents sont
d'intérêt particulier en raison de leurs petites tailles
et de leur toxicité relative diminuée par rapport aux
quantum-dots à base de semi-conducteur.
Résultats principaux :
1) Génération de fluorophores photostables pour
des études spectroscopiques de molécule,
2) Elucidation des processus de
croissance/érosion fondamentaux/ pour la
synthèse assistée de clusters.
3) Compréhension des mécanismes de
fluorescence des espèces.
Nanobiotechnologies (4)
Nanoresonateurs piézoélectriques pour sonde
biochimique
- Réalisation de nanorésonateurs piézoélectriques
chimiquement fonctionnalisés utilisés pour l'étude
de la physico-chimie, de l'hybridation d'ADN, des
interactions biomoléculaires et de la détection de
virus.
 Grâce au grand coefficient électromécanique
d'accouplement du matériel piézoélectrique (nitrure
d’aluminium), les résonateurs fournissent la
détection électrique en temps réel des
déplacements de fréquence avec des facteurs de
haute qualité en liquide.
Thin (0.5-2μm) AlN layer sandwiched between two metal
electrodes. The width of the resonator sets its resonant
frequency and can be varied between 100 nm and 500
nm. These dimensions are expected to produce devices
with center frequencies ranging from 8 to 40 GHz.
Schematic representation of a surface
functionalized piezoelectric
nanoresonator for biochemical sensing
Nanobiotechnologies (5)
Détection électrique de biomolécules à
l’aide de nanofils fonctionalisés
- Réalisation de nanowires chimiquement
synthétisés (NWs) functionalisés avec des
linkers de molécules ou protéines
susceptibles de fournir des emplacements
d'identification pour la détection électrique
d’analytes biomoléculaires.
 Le semi-conducteur NWs est
électrostatiquement emprisonné dans des
jonctions (3 voies) de transistors.
 Les caractéristiques électriques seront
employées comme indicateur de capture
d'analyte et d'affinité biomoléculaire.
Semiconductor NWs functionalized with
molecule linkers and helical proteins that
selectively recognize biomolecular analytes.
NWs electrostatically trapped in transistor
structures and the electrical characteristics
will be used to measure analyte capture.
Nanobiotechnologies - Nanomédecine
Nanotechnologies au service de la santé
Des outils d’analyse, de diagnostic et de traitement plus performants.
Diagnostic in vitro
Effectuer des analyses biomédicales sur des échantillons biologiques rares tels que
les cellules foetales ou les cellules du cordon ombilical, tout en étant moins invasif ;
• Analyser des biopsies2 de très petite taille ;
• Obtenir une analyse dite « multiplexée », où plusieurs paramètres sont mesurés
simultanément sur le même échantillon, économisant ainsi ces prélèvements ;
• Analyser et manipuler à grande échelle des cellules individualisées et vivantes ;
• Avoir une information plus rapide et adapter le traitement en conséquence.
Nanobiotechnologies - Nanomédecine
Polymères synthétiques biodégradables utiles en médecine
La recherche sur des matériaux synthétisés à base d'acide glycolique et autre
des acides hydroxycitriques a été abandonnée parce que les polymères en
résultant étaient trop instables pour des usages industriels à long terme.
Dispositifs médicaux biodégradables
Cette instabilité - importante pour la
biodégradation - s'est avéré intéressant dans
des applications médicales.
Des polymers basés sur l’acide lactique et glycolique,
du poly (dioxanone), des poly-copolymères (carbonate
de trimethylene), et poly (- homopolymères de
caprolactone) et copolymère ont été acceptés pour
l'usage comme dispositifs médicaux.
A biodegradable intravascular stent prototype
is molded from a blend of polylactide and
trimethylene carbonate.
Nanobiotechnologies - Nanomédecine
Développement de polymères biocompatibles pour l’ingénierie de tissus
La synthèse de polymères biodégradables, la fabrication de structures
poreuses et la modification extérieure avec des protéines et des peptides
permet de développer des matières biologiques originales et biocompatibles.
L'interaction entre les matières biologiques et la cellule sont étudiées pour
révéler les effets des matières biologiques sur l'adhérence, la prolifération et la
différentiation de cellules, et pour réaliser des tissus et des organes tels que le
cartilage et le pancréas.
Développement de matériaux injectables
pour la régénération de tissu
Utilisant la liaison covalente et l'interaction
intermoléculaire, des matériaux biomédicaux
développant une transition sol-gel en
environnement physiologique ont été préparés
pour développer des adhésifs pour la liaison de
tissu-tissu et de cellule-cellule. Combinant ces
matériaux avec des drogues et des cellules, des
matériaux injectables originaux pour la
régénération de tissu ont été développés.
Biodegradable
Porous Scaffold.
Regenerated
Cartilage.
Nanobiotechnologies - Nanomédecine
Nanotechnologies au service de la santé
Biopuces ou microarrays
Les microarrays sont des puces comportant des molécules biologiques servant
à analyser des échantillons cellulaires (présence d’un gène ou d’une protéine
spécifique, analyse des propriétés physico-chimiques…).
Ils sont constitués de milliers de spots de molécules biologiques (ADN ou protéines)
arrangées en matrice sur une lame de verre ou de silicium
dans un ordre prédéterminé.
Les microarrays servent essentiellement à mesurer le niveau d’expression
De centaines, voire de milliers de gènes. Ces microarrays sont une représentation,
ou un profil, des gènes actifs ou inactifs à un moment donné dans un type
cellulaire particulier. Ces systèmes permettent également de détecter les
variations génétiques d’un individu à l’autre. Ces approches sont susceptibles
d’être utilisées dans de nombreuses situations pathologiques.
Tox Drop : une puce à cellules pour étudier l’effet de substances toxiques
ou pathogènes
Nanobiotechnologies
Microfluidique
La microfluidique est une technique qui vise à maîtriser le transport et la
manipulation de nanolitres de fluides dans des canaux miniaturisés ou des
gouttes.
La microfluidique propose des solutions pour déplacer, fractionner, mélanger
ou séparer ces liquides. La difficulté réside dans le changement de
comportement des fluides à ces échelles, qui nécessite des recherches
approfondies notamment en modélisation avant de concevoir un microsystème.
La microfluidique permet d’intégrer, dans un seul dispositif, plusieurs
opérations successives d’un protocole complexe d’analyse.
Cette intégration passe notamment par la maîtrise du mouvement, de la
distribution, éventuellement du stockage des réactifs et de l’échantillon, ainsi
que des conditions physiques des réactions chimiques, en particulier la
température, au sein du dispositif.
Démonstrateur intégré pour analyse chimique ou biologique
Principe de l’électromouillage
cos - cos0 
1
CV 2
2
avec
0 : angle de contact en absence de tension
 : tension interfacia le liquide - liquide
C : capacité du diélectriq ue
V : tension appliquée
Dispositifs de microprocesseur fluidique
prévoyant des étapes de dilution et de
mélanges avec des zones de stockage
de réactifs en configuration fermée.
53
Nanobiotechnologies
Lab-on-chip ou laboratoire sur puce
A l’intersection des microarrays et de la microfluidique, les lab-on-chips ou
laboratoires sur puce sont des systèmes intégrant toutes les étapes d’une
analyse biologique, du traitement de l’échantillon au rendu du résultat.
Les lab-on-chip sont promis à un fort développement aussi bien dans le
domaine médical que dans le suivi environnemental.
Ces dispositifs rassemblent à la fois des composants microélectroniques,
optiques et logiciels et sont fabriqués avec des techniques parfois issues de la
microélectronique, qui permettent une production massive et à bas coût,
conditions essentielles pour leur adoption par le marché de la santé.
Loccandia : un outil de détection du cancer du pancréas
In Check : un lab-on-chip pour diagnostiquer les maladies infectieuses
telles que la grippe aviaire
Detecting Bird Flu: New Lab-on-chip Identifies H5N1 In Thirty Minutes
Nanobiotechnologies
Synthèse de biomarqueurs à base de nanoparticules
Le diagnostic in vivo au moyen de l’imagerie moléculaire
L’imagerie moléculaire est précisément capable de mettre en évidence la surexpression ou la sous-expression des gènes perturbateurs (protéines
résultantes) à l’origine du cancer au sein même de l’organe atteint.
La synthèse de biomarqueurs capables de cibler et de s’attacher à des
molécules et de rendre ainsi détectables des processus moléculaires au sein
de la cellule ont permis l’essor récent de l’imagerie moléculaire.
Nanocristaux de CdSe (Cadmium
Selenium) de tailles différentes sous
lumière UV utilisés en imagerie
fluorescente optique
Les progrès de l’instrumentation et des méthodes de reconstruction d’image
permettent à présent de détecter des molécules fluorescentes au sein des
tissus in vivo.
Nanobiotechnologies
Vectoriation des médicaments
L’envoi ciblé de molécules thérapeutiques vers un organe, un tissu ou une
cellule malade constitue aujourd’hui un défi majeur pour le traitement des
maladies humaines. Il permet de limiter les effets secondaires sur des organes non
ciblés et de réduire la dose au juste niveau nécessaire grâce à un effet de
concentration locale.
Les molécules thérapeutiques aujourd’hui utilisées présentent des
caractéristiques physico-chimiques peu favorables au passage des barrières
biologiques qui séparent le site d’administration du médicament de son site d’action.
Les nanotechnologies permettront d’améliorer la vectorisation de ces
médicaments en développant des « nano-transporteurs », capables de franchir
les barrières biologiques, et de transporter, en les encapsulant, les molécules
thérapeutiques jusqu’à leur cible.
Nanobiotechnologies
Diagnostic visuel
Utilisation de capsule permettant de
réaliser des endoscopies.
L'imageur est un capteur CMO
qui permet la fabrication
de l'image électronique.
Il est placé derrière un objectif.
La gélule contient également six diodes électro-luminescents qui donnent la lumière
nécessaire, compte tenu de l'obscurité qui règne à l'intérieur du tractus digestif, ainsi
que deux petites batteries à l'oxyde d'argent qui fournissent l'énergie nécessaire
pour donner au dispositif une autonomie d'une dizaine d'heures. Enfin, la partie
arrière de la gélule contient un circuit électronique (émetteur de télévision
numérique) et son antenne d'émission.
Plan

Motivations des nanobiotechnologies

Quelles sont les principes associés aux
nanobiotechnologies ?

Quelles sont les applications ?

Quelles sont leurs limitations ?

Quelles sont les évolutions ?
Nanobiotechnologies – Questions à résoudre
Comment échanger de l’information avec un nanosystème dont la taille
n’est que de de quelques nanomètres ?
 Développer des concept nouveaux afin d’échanger des signaux
avec des nano-objets ultimes.
 Créer une interface entre les systèmes de type « bottom-up »,
Microleviers Si pour
tels que les molécules, les agrégats, les nanoparticules ou les
dépôt de biomolécules
systèmes auto-assemblés et les systèmes microscopiques
électroniques ou microsystèmes
Modalités offertes par la physique :
 Adressage électrique
 Adressage mécanique
 Adressage optique
Matrice de spots de protéines
obtenue par microlevier
Nanorésonateurs piézoélectriques pour
détection d’interactions biospécifiques
Nanobiotechnologies – Avenir - Limites
Avenir
Observer et manipuler atomes et molécules pour construire des « machines moléculaires »
Nombreuses applications : biocapteurs, biomatériaux, robotique médicale, ciblage de
médicaments, thérapie génique…
Investissements annuel mondial : 300 milliards d’euros/an
Taux de croissance annuel : robotique médicale (70%), biophotonique (45%),
biomatériaux (30%, biocapteurs (35%), nanotechnologies (30%)
Aspects contradictoires
Toxicité des nanoparticules en matière de santé
 Contrôle de la dissémination des nano-objets
 Contrôle de l’autoréplication et de l’autoassemblage des nanorobots en utilisant l’énergie
disponible autour d’eux (concept d’écophagie).
 Implantation dans le corps humain de nanomatériaux permettant de localiser, voire
contrôler un individu ne doit en aucun cas donner lieu à des dérives.
 Problèmes d’ordre éthique : respect de la vie privée
 Droit à l’intimité génétique
 Utilisation de « poussières intelligentes » (« smart dusts »), nuée de microprocesseurs
qui pourraient être utiles, par exemple pour la protection de l'environnement, mais,
pourraient être détournée à des fins malveillantes, en devenant un outil d'espionnage.
 Crainte de l’apparition d’une médecine high-tech.