Introduction
Le carbone est l’élément chimique de numéro atomique 6 et possède six électrons qui occupent 1 orbitale atomique s2, 2 s2 et 2p2. Il peut s’hybrider sous des formes sp, sp2 ou sp3. Les découvertes de matériaux liés au carbone sp2 de taille nanométrique très constante tels que le graphène , les fullerènes et les nanotubes de carbone ont encouragé à faire des recherches dans ce domaine., La plupart des propriétés physiques des nanotubes de carbone proviennent du graphène. Dans le graphène, les atomes de carbone sont densément organisés dans un modèle régulier de nid d’abeilles à l’échelle atomique lié par sp2 (hexagonal), et ce modèle est une structure de base pour d’autres matériaux liés au carbone sp2 (allotropes) tels que les fullerènes et les nanotubes de carbone. Le nanotube de carbone est théoriquement distinct en tant que cylindre fabriqué en feuille de graphème enroulée. Il peut se diviser en un seul puits ou plusieurs puits., Les nanotubes avec un seul puits sont décrits comme des nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) et ont été signalés pour la première fois en 1993 , tandis que ceux avec plus d’un puits sont des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) et ont été découverts pour la première fois en 1991 par Iijima (Figure 1).
Schématique de la structure et images de TEM de SWCNT et MWCNT. (A) Structure schématique de SWCNT et (B) MWCNT. Les images au microscope électronique à transmission (TEM) de a (C) SWCNT et (D) MWCNT .,
nanotubes de Carbone: structure et propriétés
de Carbone peut se lier à différentes façons de construire des structures avec des propriétés différentes. L’hybridation sp2 du carbone crée une construction en couches avec une faible liaison hors plan de la forme de van der Waals et de fortes limites dans le plan. Quelques à quelques dizaines de cylindres concentriques avec l’espacement périodique régulier de couche intermédiaire localisent autour du creux central ordinaire et ont fait des MWCNTs. L’analyse en espace réel des images de nanotubes multiparois a montré une plage d’espacement entre les couches (0,34 à 0.,39 nm).
Selon le nombre de couches, le diamètre intérieur des MWCNTs diverge de 0,4 nm à quelques nanomètres et le diamètre extérieur varie de manière caractéristique de 2 nm à 20 à 30 nm. Les deux extrémités du MWCNT sont généralement fermées et les extrémités sont recouvertes de molécules de demi-fullerène en forme de dôme (défauts pentagonaux), et la taille axiale diffère de 1 µm à quelques centimètres. Le rôle des molécules de demi-fullerène (défaut de cycle pentagonal) est d’aider à la fermeture du tube aux deux extrémités.
D’autre part, les diamètres SWCNT diffèrent de 0.,4 à 2 à 3 nm, et leur longueur est généralement de l’ordre du micromètre. Les SWCNT peuvent généralement se réunir et former des faisceaux (cordes). Dans une structure de faisceau, les SWCNT sont organisés hexagonalement pour former une construction cristalline .
Structure MWCNT et SWCNT
En fonction de l’emballage dans un cylindre, il existe trois formes différentes de SWCNT telles que fauteuil, chiral et zigzag (Figure 2B). La structure d’un SWCNT est caractérisée par une paire d’indices (n, m) qui décrivent le vecteur chiral et ont directement un effet sur les propriétés électriques des nanotubes., Le nombre de vecteurs unitaires dans le réseau cristallin en nid d’abeille du graphène le long de deux directions est déterminé par les entiers n et m. Comme une opinion commune, lorsque m = 0, les nanotubes sont nommés nanotubes en zigzag; lorsque n = m, les nanotubes sont nommés nanotubes de fauteuil, et tout autre état est appelé chiral.
les Différentes formes de SWNTs. (A) Le vecteur chiral C détermine également le diamètre du tube. B) Modèles de trois structures SWCNT atomiquement parfaites .,
Le vecteur chiral C = na1 + ma2 (a1 et a2 sont les vecteurs de cellules de base du graphite) détermine également le diamètre du tube d, et ce vecteur découvre la direction de laminage d’une feuille de graphène (Figure 2A). Par conséquent, le diamètre d’un tube de carbone peut être calculé par
où a=1,42× 3 Å correspond à la constante de réseau dans la feuille de graphite.,
Lorsque n − m est un multiple de 3, alors le nanotube est décrit comme des nanotubes « métalliques » ou hautement conducteurs, et sinon, alors le nanotube est un semi-métallique ou semi-conducteur.
En tout temps, la forme du fauteuil est métallique, alors que d’autres formes peuvent faire du nanotube un semi-conducteur.
De nombreux paramètres et vecteurs peuvent avoir un effet sur les structures des nanotubes tels que les suivants:
Les nanotubes de carbone à parois multiples peuvent être formés dans deux modèles structurels: le modèle de poupée russe et le modèle de parchemin., Lorsqu’un nanotube de carbone contient un autre nanotube à l’intérieur et que le nanotube extérieur a un diamètre supérieur à un nanotube plus mince, on l’appelle le modèle de poupée russe. D’autre part, lorsqu’une seule feuille de graphène est enroulée autour d’elle-même plusieurs fois, la même chose qu’un rouleau de papier enroulé, on l’appelle le modèle de parchemin. MWCNTs et SWCNTs ont des propriétés similaires., En raison de la nature multicouche des MWCNT, les parois extérieures peuvent non seulement protéger les nanotubes de carbone intérieurs des interactions chimiques avec les substances extérieures, mais présentent également des propriétés de résistance à la traction élevées, qui n’existent pas dans les SWCNT (ou existent partiellement) (tableau 1).
Étant donné que les nanotubes de carbone ont les liaisons sp2 entre les atomes de carbone individuels, ils ont une résistance à la traction plus élevée que l’acier et le Kevlar., Cette liaison est encore plus forte que la liaison sp3 trouvée dans le diamant. Théoriquement, SWCNTs peut vraiment avoir une résistance à la traction des centaines de fois plus forte que l’acier.
Une autre propriété étonnante des nanotubes de carbone est également l’élasticité., Sous une force élevée et une presse assise et lorsqu’elle est exposée à de grandes forces de compression axiales, elle peut se plier, se tordre, se plier et enfin se boucler sans endommager le nanotube, et le nanotube reviendra à sa structure d’origine, mais une élasticité des nanotubes a une limite, et sous des forces très puissantes physiquement presses, il est Certains des défauts de la structure du nanotube peuvent affaiblir la résistance d’un nanotube, par exemple, des défauts dans les vides atomiques ou un réarrangement des liaisons carbone.,
L’élasticité des nanotubes à paroi simple et à paroi multiple est déterminée par le module élastique ou le module d’élasticité . Le module d’élasticité des nanotubes multiparois (MWNTs) est analysé avec des microscopes électroniques à transmission (TEM). Les scientifiques utilisant le TEM mesurent et examinent les vibrations thermiques aux deux extrémités des tubes. En raison de la force des liaisons atomiques dans les nanotubes de carbone, ils peuvent non seulement résister à des températures élevées, mais se sont également révélés être de très bons conducteurs thermiques. Ils peuvent supporter jusqu’à 750°C à la normale et 2 800°C sous pression atmosphérique sous vide., La température des tubes et l’environnement extérieur peuvent affecter la conductivité thermique des nanotubes de carbone . Certaines des principales propriétés physiques des nanotubes de carbone sont résumées dans le tableau 2.
Synthèse
Plusieurs techniques ont été développées pour la fabrication de structures CNT qui impliquent principalement des processus en phase gazeuse., Généralement, trois procédures sont utilisées pour produire des NTC: (1) la technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), (2) la technique d’ablation laser et (3) la technique de décharge par arc de carbone (tableau 3)., Les techniques de préparation à haute température, par exemple l’ablation au laser ou la décharge à l’arc, ont d’abord été utilisées pour synthétiser les NTC, mais actuellement, ces techniques ont été substituées par des méthodes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température (<800°C), car la longueur, le diamètre, l’alignement, la pureté, la densité et l’orientation des NTC,
Décharge d’arc électrique
La technique de décharge d’arc utilise des températures plus élevées (au-dessus de 1 700°C) pour la synthèse de CNT de CNTS avec moins de défauts structurels par rapport à d’autres méthodes., Les méthodes les plus utilisées utilisent la décharge à l’arc entre des électrodes en graphite de haute pureté (densité optique de 6 à 10 mm) généralement des électrodes refroidies à l’eau avec des diamètres compris entre 6 et 12 mm et séparées de 1 à 2 mm dans une chambre remplie d’hélium (500 torr) à une pression sous-atmosphérique (l’hélium La chambre contient une cathode et une anode en graphite ainsi que des molécules de carbone évaporées et une certaine quantité de particules de catalyseur métallique (telles que le cobalt, le nickel et/ou le fer)., Au cours de cette procédure et de l’arc, environ la moitié du carbone évaporé se solidifie sur la pointe de la cathode (électrode négative), et un dépôt se forme à une vitesse de 1 mm/min qui est appelé « dépôt dur cylindrique ou structure en forme de cigare », tandis que l’anode (électrode positive) est consommée. Le carbone restant (une coquille grise dure) s’est déposé à la périphérie et se condense en « suie de chambre » à proximité des parois de la chambre et en « suie de cathode » sur la cathode., Le noyau interne, la suie de cathode et la suie de chambre, qui sont sombres et mous, produisent des nanotubes de carbone à paroi simple ou à parois multiples et des particules de graphène polyédriques imbriquées. En utilisant la microscopie électronique à balayage (SEM), deux textures et morphologies différentes peuvent être observées dans l’étude du dépôt de cathode; les dépôts de noyau interne sombres et mous sont constitués de structures en forme de faisceau, qui contiennent des nanotubes disposés de manière aléatoire et la coque externe grise, qui est composée de couches de graphèmes courbes et solides.,
Dans le dépôt par décharge d’arc et la synthèse de NTC, il existe deux principales manières différentes: la synthèse avec l’utilisation de différents précurseurs de catalyseur et sans utilisation de précurseurs de catalyseur. Généralement, la synthèse de MWNTs pourrait être faite sans utiliser de précurseurs de catalyseur, mais la synthèse de nanotubes à paroi unique (SWNTs) utilise différents précurseurs de catalyseur et, pour l’expansion dans la décharge d’arc, utilise une anode complexe, qui est faite comme une composition de graphite et un métal, par exemple, Gd , Co, Ni, Fe, Ag, Pt, Pd, etc., ou des mélanges de Co, Ni et Fe avec d’autres éléments comme des Co-Pt, Co-Ru , Ni-O, Fe, Ni, Co-Ni, Co, Cu, Ni, Cu, Fe-Non, Ni-Ti, Ni-Y, etc. Des études ont montré que les mélanges Ni-Y-graphite peuvent produire des rendements élevés (<90%) de SWNT (diamètre moyen de 1,4 nm) , et de nos jours, ce mélange est utilisé dans le monde entier pour la création de SWNT à haut rendement. Le principal avantage de la technique de décharge à l’arc est la capacité et le potentiel de production d’une grande quantité de nanotubes. En revanche, le principal inconvénient de cette méthode est relativement peu de contrôle sur l’alignement (c’est à dire,, chiralité) des nanotubes créés, ce qui est important pour leur caractérisation et leur rôle. De plus, en raison du catalyseur métallique nécessaire à la réaction, la purification des produits obtenus est essentielle.
Méthode d’ablation laser
En utilisant une vaporisation laser de haute puissance (type YAG), un tube de quartz contenant un bloc de graphite pur est chauffé à l’intérieur d’un four à 1 200 ± C, dans une atmosphère Ar . Le but de l’utilisation du laser est de vaporiser le graphite dans le quartz., Comme décrit à propos de la synthèse de SWNT en utilisant la méthode de décharge d’arc, pour générer des SWNT, en utilisant la technique laser, l’ajout de particules métalliques comme catalyseurs aux cibles de graphite est nécessaire. Des études ont montré que le diamètre des nanotubes dépend de la puissance du laser. Lorsque la puissance d’impulsion laser est augmentée, le diamètre des tubes devient plus mince . D’autres études ont indiqué que les impulsions laser ultrarapides (subpicosecondes) sont potentielles et capables de créer de grandes quantités de SWNT . Les auteurs ont révélé qu’il est maintenant prometteur de créer jusqu’à 1.,5 g / h de matériau nanotube utilisant la technique laser.
De nombreux paramètres peuvent affecter les propriétés des NTC synthétisés par la méthode d’ablation laser, tels que la composition structurelle et chimique du matériau cible, les propriétés du laser (puissance de crête, onde entretenue par rapport à l’impulsion, fluence énergétique, longueur d’onde d’oscillation et taux de répétition), le débit et la pression du gaz tampon, la pression Cette méthode a un potentiel pour la production de SWNT de haute pureté et de haute qualité., Les principes et mécanismes de la méthode d’ablation au laser sont similaires à la technique de décharge à l’arc, mais dans cette méthode, l’énergie nécessaire est fournie par un laser qui frappe une pastille de graphite pur contenant des matériaux catalytiques (fréquemment du cobalt ou du nickel).
Les principaux avantages de cette technique consistent en un rendement relativement élevé et des impuretés métalliques relativement faibles, car les atomes métalliques impliqués ont tendance à s’évaporer de l’extrémité du tube une fois celui-ci fermé., D’autre part, le principal inconvénient est que les nanotubes obtenus à partir de cette technique ne sont pas nécessairement uniformément droits mais contiennent plutôt une certaine ramification.
Malheureusement, la méthode d’ablation par laser n’est pas économiquement avantageuse car la procédure englobe des tiges de graphite de haute pureté, les puissances laser requises sont importantes (dans certains cas, deux faisceaux laser sont nécessaires) et la quantité de nanotubes pouvant être synthétisés par jour n’est pas aussi élevée que la technique de décharge d’arc.,
Dépôt chimique en phase vapeur
L’une des méthodes standard de production de nanotubes de carbone est le dépôt chimique en phase vapeur ou CVD. Il existe de nombreux types de CVD tels que le dépôt chimique en phase vapeur catalytique (CCVD)—CVD assisté par oxygène thermique ou par plasma amélioré (PE), CVD assisté par eau , plasma micro-ondes (MPECVD) , CVD par radiofréquence (RF-CVD) ou filament chaud (HFCVD) . Mais le dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CCVD) est actuellement la technique standard pour la synthèse de nanotubes de carbone.,
Cette technique permet aux NTC de se développer sur différents matériaux et implique la dégradation chimique d’un hydrocarbure sur un substrat. Le principal processus de croissance des nanotubes de carbone dans cette méthode, comme la méthode de décharge d’arc, est également d’exciter les atomes de carbone qui sont en contact avec des particules de catalyseur métallique.
À toutes fins utiles, les tubes sont percés dans le silicium et également implantés avec des nanoparticules de fer au fond. Après cela, un hydrocarbure tel que l’acétylène est chauffé et décomposé sur le substrat., Comme le carbone est capable d’entrer en contact avec les particules métalliques implantées dans les trous, il commence à créer des nanotubes qui sont un « gabarit » à partir de la forme du tunnel. Avec l’utilisation de ces propriétés, les nanotubes de carbone peuvent se développer très bien alignés et très longs, dans l’angle du tunnel. Dans le traitement CVD, une couche de particules de catalyseur métallique prépare et traite un substrat à environ 700°C. Le plus souvent, les particules de catalyseur métallique sont du nickel, du cobalt , du fer ou une combinaison ., Le but de l’utilisation des nanoparticules métalliques en combinaison avec un support de catalyseur tels que MgO ou Al2O3 est de développer la surface supérieur, sous-produit de la réaction catalytique du carbone pur avec les particules métalliques. Dans la première étape de l’expansion des nanotubes, deux types de gaz alimentaient le réacteur (le réacteur le plus largement utilisé est le réacteur à lit fluidisé ): un gaz contenant du carbone (tel que l’éthylène, l’acétylène, le méthane ou l’éthanol) et un gaz de traitement (tel que l’azote, l’hydrogène ou l’ammoniac)., À la surface de la particule de catalyseur, le gaz contenant du carbone est brisé et le carbone est devenu visible sur les bords de la nanoparticule où les nanotubes peuvent produire. Ce mécanisme est encore en cours de discussion . Des études ont montré que les modèles classiquement acceptés sont la croissance de base et la croissance de pointe . En fonction de l’adhérence et de la fixation entre le substrat et la particule de catalyseur, les particules de catalyseur peuvent rester à la base du nanotube ou du nanotube pendant la croissance et l’expansion .,
Par rapport à l’ablation laser, CCVD est une méthode économiquement pratique pour la production de CNT à grande échelle et tout à fait pure et donc l’avantage important de CVD sont des matériaux obtenus de haute pureté et un contrôle facile du cours de la réaction .
Purification des nanotubes
Selon la technique de synthèse des nanotubes de carbone, il existe de nombreuses méthodes et procédures différentes pour la purification., Toutes les procédures de purification comportent les étapes principales suivantes: suppression des grosses particules de graphite et des agrégations avec filtration, dissolution dans des solvants appropriés pour éliminer les particules de catalyseur (acides concentrés comme solvant) et les fullerènes (utilisation de solvants organiques), et microfiltrations et chromatographie pour dimensionner la séparation et éliminer les amas de carbone amorphes . La purification des MWNT produits par des techniques de décharge d’arc peut être effectuée en utilisant des techniques d’oxydation qui peuvent séparer les MWNT des particules polyédriques de type graphite .,
Les principaux inconvénients de cette méthode sont une faible pureté, un taux de destruction élevé des matériaux de départ (95%), ainsi qu’une réactivité élevée des nanotubes restants en fin de processus en raison de l’existence de liaisons pendantes (une valence insatisfaite) et pour l’élimination de ces liaisons pendantes, il est nécessaire d’utiliser un recuit à haute température (2 800 ± C).
Les méthodes non destructives de séparation des NTC couplent des suspensions colloïdales bien dispersées de tubes / particules avec des matériaux qui empêchent l’agrégation tels que des tensioactifs, des polymères ou d’autres particules colloïdales ., L’autre méthode utilisée pour les nanotubes d’exclusion de taille utilise la chromatographie d’exclusion de taille et les filtres poreux ainsi que la microfiltration assistée par ultrasons qui purifie les SWNT du carbone amorphe et des particules catalytiques .
Des études ont montré que l’ébullition de SWNT dans des solutions aqueuses d’acide nitrique ou d’acide fluorhydrique pour la purification de SWNT et l’élimination de particules de carbone et de métal amorphes était une technique simple et efficace.,
Pour la purification des tubules de carbone, le scientifique préfère utiliser la sonication des nanotubes dans différents milieux et ensuite l’oxydation thermique du matériau SWNT (à 470°C) ainsi que des traitements à l’acide chlorhydrique . Une autre façon d’oxyder les particules carbonées insatisfaites est l’utilisation de grappes d’or (OD 20 nm) avec l’oxydation thermique des SWNT à 350°C.
Huang et coll., introduire une nouvelle façon de séparer les SWNT semi-conducteurs et métalliques en utilisant la chromatographie d’exclusion de taille (SEC) des nanotubes de carbone dispersés dans l’ADN (ADN-SWNT), qui ont le tri de longueur de résolution le plus élevé . L’ultracentrifugation à gradient de densité a été utilisée pour la séparation du SWNT en fonction du diamètre . La combinaison de la chromatographie échangeuse d’ions (IEC) et de l’ADN-SWNT (IEC-DNA-SWNT) a également été utilisée pour la purification de chiralités individuelles. Dans ce processus, des oligomères d’ADN courts spécifiques peuvent être utilisés pour séparer les chiralités SWNT individuelles., Les scientifiques ont utilisé des procédés de fluoration et de bromation ainsi que des traitements acides des matériaux MWNT et SWNT dans le but de purifier, de couper et de suspendre les matériaux uniformément dans certains solvants organiques .
Comme indiqué ci-dessus, selon la méthode de synthèse des nanotubes, il existe de nombreuses méthodes différentes pour la purification des nanotubes de carbone, et par conséquent, l’existence de méthodes qui sont des processus en une seule étape et non affectées sur les propriétés des produits de nanotubes de carbone est essentielle pour produire des nanotubes propres et,
Applications biomédicales
Les propriétés des nanotubes sont certainement étonnantes; au cours des dernières années, de nombreuses études ont suggéré des applications potentielles des NTC et ont montré d’innombrables applications qui pourraient être prometteuses lorsque ces matériaux nouvellement déterminés sont combinés avec des produits typiques . Production de nanorods utilisant des NTC comme modèles de réaction .
Les applications des nanotubes englobent de nombreux domaines et disciplines tels que la médecine, la nanotechnologie, la fabrication, la construction, l’électronique, etc., Les applications suivantes peuvent être notées: composites à haute résistance , actionneurs , dispositifs de stockage et de conversion d’énergie , nanoprobes et capteurs , supports de stockage d’hydrogène , dispositifs électroniques et catalyse . Cependant, les sections suivantes détaillent exclusivement les applications existantes des NTC dans l’industrie biomédicale. Avant d’utiliser des nanotubes de carbone dans des environnements biologiques et biomédicaux, il y a trois obstacles qui doivent être surmontés: la fonctionnalisation, la pharmacologie et la toxicité des NTC., L’un des principaux inconvénients des nanotubes de carbone est le manque de solubilité dans les milieux aqueux, et pour surmonter ce problème, les scientifiques ont modifié la surface des NTC, c’est-à-dire la fictionnalisation avec différentes molécules hydrophiles et chimies qui améliorent la solubilité dans l’eau et la biocompatibilité des NTC .
Une autre barrière avec les nanotubes de carbone est la biodistribution et la pharmacocinétique des nanoparticules qui sont affectées par de nombreuses caractéristiques physico-chimiques telles que la forme, la taille, la composition chimique, l’agrégation, la surface de solubilité et la fictionalisation., Des études ont montré que les NTC solubles dans l’eau sont biocompatibles avec les fluides corporels et n’ont pas d’effets secondaires toxiques ou de mortalité.
Un autre obstacle important est la toxicité des NTC. Généralement, la combinaison de la surface élevée et de la toxicité intrinsèque de la surface peut être responsable des effets nocifs des nanoparticules.
La toxicité des NTC peut être affectée par la taille des nanotubes., Les particules de moins de 100 nm ont des propriétés potentiellement nocives telles qu’une plus grande toxicité potentielle pour le poumon, une évasion des défenses phagocytaires normales, une modification de la structure protéique, une activation des réponses inflammatoires et immunologiques et une redistribution potentielle de leur site de dépôt.
Implants artificiels
Les nanomatériaux sont probables et prometteurs en médecine régénérative en raison de leurs propriétés chimiques et physiques attrayantes ., Généralement, rejeter les implants avec la douleur post-administration, et pour éviter ce rejet, la fixation de nanotubes avec des protéines et des acides aminés a été prometteuse. Les nanotubes de carbone, à la fois simples et multi-WNT, peuvent être utilisés comme implants sous forme d’articulations artificielles et d’autres implants sans réponse de rejet de l’hôte. De plus, en raison de propriétés uniques telles que la résistance à la traction élevée, les NTC peuvent agir comme substituts osseux et implants s’ils sont remplis de calcium et formés/disposés dans la structure osseuse .,
Il a été étudié l’adhérence cellulaire et la prolifération peuvent améliorer avec des composites SWCNT et MWCNT, et par conséquent, ces nanotubes ont été intégrés dans des matériaux naturels et synthétiques pour générer des nanocomposites. Certaines applications de nanotubes en tant qu’implants artificiels sont résumées dans le tableau 4.,
Ingénierie tissulaire
Le but de l’ingénierie tissulaire est de remplacer les tissus endommagés ou malades par des substituts biologiques qui peuvent réparer et préserver la fonction normale et originale. Des avancées majeures dans les domaines de la science des matériaux et de l’ingénierie ont soutenu les progrès prometteurs de la médecine et de l’ingénierie régénératives tissulaires., Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour l’ingénierie tissulaire dans quatre domaines: la détection du comportement cellulaire, le suivi et l’étiquetage des cellules, l’amélioration des matrices tissulaires et l’augmentation du comportement cellulaire . Le suivi et le marquage cellulaires sont la capacité de suivre les cellules implantées et d’observer l’amélioration de la formation tissulaire in vivo et de manière non invasive. Le marquage des cellules implantées facilite non seulement l’évaluation de la viabilité du tissu d’ingénierie, mais facilite également la compréhension des voies de biodistribution, de migration, de relocalisation et de mouvement des cellules transplantées., En raison du temps et du défi de la manipulation dans l’utilisation des méthodes traditionnelles telles que la cytométrie de flux, les méthodes non invasives sont des méthodes populaires entrantes. Il est montré que les nanotubes de carbone peuvent être réalisables en tant qu’agents de contraste d’imagerie pour les modalités de résonance magnétique, optique et radiotraceur.
Une autre application importante des nanotubes de carbone en génie tissulaire est son potentiel pour la mesure de la biodistribution et peut également être modifié avec des radiotraceurs pour la scintigraphie gamma. Singh et coll. lié SWNTS avec . Dans et administré à des souris BALB/c pour évaluer la biodistribution des nanotubes ., La conception de tissus mieux conçus améliore et facilite avec le meilleur moniteur de la physiologie cellulaire telle que les interactions enzyme/cofacteur, la sécrétion de protéines et de métabolites, le comportement cellulaire et le transport d’ions. Les nanocapteurs seront éventuellement utilisés pour rendre disponible une surveillance constante de la performance des tissus d’ingénierie. Les nanotubes de carbone présentent de nombreuses caractéristiques populaires qui en font des éléments idéaux pour les nanocapteurs, notamment leur grande surface et leur capacité à immobiliser l’ADN ou d’autres protéines, ainsi que leurs propriétés électriques., Le nanotube de carbone a des structures électroniques uniques qui, en tant que probabilité de capteur électrochimique de nanotube de carbone, simplifient l’étude des protéines et des acides aminés redox-actifs permettant la surveillance cellulaire dans les tissus modifiés. Dans une étude, les MWNT ont été conjugués avec des microparticules de platine et ont pu détecter des thiols comprenant des acides aminés tels que le glutathion et la L-cystéine chez le rat .
La matrice des cellules joue un rôle important dans l’ingénierie tissulaire., Alors que les polymères synthétiques acceptés, par exemple, PLGA et PLA ont été utilisés pour l’ingénierie tissulaire, ils n’ont pas la résistance mécanique requise et ne peuvent pas simplement être fonctionnalisés en contradiction avec les nanotubes de carbone qui peuvent être fonctionnalisés volontairement. Ainsi, les nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme échafaudages tissulaires et peuvent fournir le renforcement structurel requis, mais le principal inconvénient des nanotubes de carbone est qu’ils ne sont pas biodégradables., Combinaison de polymère en dissolvant une partie souhaitée de nanotubes de carbone dans un polymère, des améliorations significatives de la résistance mécanique du composite ont été détectées. Les MWNT combinés avec le chitosane ont montré un progrès significatif dans les propriétés mécaniques par rapport au chitosane seulement . Le collagène mélangé SWNT améliore la croissance des cellules musculaires lisses .
Identification des cellules cancéreuses
Des nanodispositifs sont en cours de création qui ont le potentiel de développer le traitement, la détection et le diagnostic du cancer., Les nanostructures peuvent être si petites (moins de 100 nm) que le corps peut les effacer trop rapidement pour qu’elles soient efficaces dans l’imagerie ou la détection et peuvent donc entrer dans les cellules et les organites à l’intérieur pour interagir avec l’ADN et les protéines. Castillo et coll., en utilisant un peptide nanotube-acide folique modifié graphène électrode, améliorer la détection de cellules cancéreuses cervicales humaines surexprimer folate récepteurs .,
Étant donné qu’un grand nombre de cancers sont asymptomatiques tout au long de leur stade précoce et que des modifications morphologiques distinctes sont absentes dans la majorité des troubles néoplasiques à un stade précoce, les méthodes traditionnelles d’imagerie clinique du cancer, par exemple la radiographie, la tomodensitométrie et l’IRM, n’acquièrent pas une résolution spatiale adéquate pour la détection de la maladie à un stade précoce. Les études d’imagerie avec SWCNTs ont prospéré au cours des dernières années. Hong et coll., a évalué l’imagerie moléculaire avec des SWNT et a évalué les SWCNT combinés Gd3 + -fonctionnalisés lorsqu’ils sont appliqués à l’IRM, et une haute résolution et une bonne pénétration tissulaire ont été obtenues.
La combinaison de radioisotopes marqués SWCNTs avec des techniques d’imagerie à base de radionucléides (PET et SPECT) peut améliorer la pénétration tissulaire, la sensibilité et la résolution moyenne.,
Il existe de nombreux biomarqueurs protéiques caractéristiques qui sont souvent surexprimés dans les cellules cancéreuses, et ils fournissent une porte d’ouverture pour le diagnostic précoce, le pronostic, le maintien de la surveillance après une chirurgie curative, le suivi du traitement dans une maladie avancée et la prédiction de la réponse thérapeutique., De nombreux marqueurs tumoraux importants ont été largement appliqués et utilisés dans le diagnostic du carcinome hépatocellulaire, du cancer colorectal, du cancer pancréatique, des cancers de la prostate, des tumeurs ovariennes épithéliales telles que l’antigène glucidique 19-9 (CA19-9), l’alpha-fœtoprotéine (AFP), l’antigène carcinoembryonique (CEA), l’antigène carcinome 125 (CA125), la gonadotrophine chorionique humaine (hCG) et Certains des biomarqueurs du cancer détectés par les systèmes de détection basés sur le CNT sont résumés dans le tableau 5.,
Administration de médicaments et de gènes par les NTC
Il existe de nombreux obstacles avec l’administration conventionnelle d’agents chimiothérapeutiques tels que toxicité systémique, mauvaise distribution entre les cellules, solubilité limitée, incapacité des médicaments à franchir les barrières cellulaires et absence de procédures cliniques pour vaincre le cancer multirésistant (MDR)., Les chercheurs ont introduit un large éventail de différents types de systèmes d’administration de médicaments pour surmonter ces problèmes tels que les polymères, les nanoparticules de silice, les points quantiques, les émulsions, les dendrimères, les liposomes, les conjugués moléculaires et les micelles . Comme mentionné ci-dessus, les NTC ont des propriétés uniques telles que la surface ultrahigh qui en font un potentiel prometteur pour la livraison de médicaments, de peptides et d’acides nucléiques (tableau 6)., Le médicament ou le gène spécifique peut être intégré aux parois et aux extrémités des NTC et reconnaître les récepteurs spécifiques au cancer à la surface cellulaire, par ces moyens les NTC peuvent traverser la membrane cellulaire des mammifères par endocytose ou d’autres mécanismes et transporter des médicaments thérapeutiques ou des gènes de manière plus sûre et efficace dans les cellules qui Plus récemment, des chercheurs ont mis au point un nouveau système d’administration de médicaments ciblant les tumeurs (DDS) à base de SWNT, plus efficace, composé de ligands ciblant les tumeurs, de médicaments anticancéreux et de SWNT fonctionnalisés., Si ce système interagit avec les cellules cancéreuses, il peut induire une endocytose médiée par les récepteurs en reconnaissant les récepteurs spécifiques au cancer à la surface des cellules cancéreuses et en libérant ainsi efficacement et spécifiquement des agents chimiothérapeutiques.