FullerèneUn fullerène est une molécule de carbone sous la forme d’unesphère creuse, d’un ellipsoïde, d’un tube et de nombreusesautres formes. Les fullerènes sphériques, également appelésBuckminsterfullerenes ou buckyballs, ressemblent aux ballesutilisées dans le football association. Les fullerènescylindriques sont également appelés nanotubes de carbone(Buckytubes). Les fullerènes sont semblables à la structure augraphite, qui est composé de feuilles de graphène empiléesd’anneaux hexagonaux liés. Ils sont cylindriques, ils doiventdonc contenir des anneaux pentagonaux (ou parfoisheptagonaux).

Structure du Fullerène (SourcePhoto: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)

Les découvreurs de l’allotrope de carbone buckminsterfullerene(C60) du nom de Richard Buckminster Fuller, un modeleurarchitectural noté qui a popularisé le dôme géodésique.Puisque buckminsterfullerenes ont une forme similaire à celledes dômes, et ils ont trouvé le nom approprié.

La famille des fullerènes est venue à Buckminsterfullerene, lenom raccourci «fullerene» est utilisé pour désigner la famille

des fullerènes. Le suffixe « -ene » indique que chaque atome Cest lié de manière covalente à trois autres (au lieu dumaximum de quatre), une situation qui correspondraitclassiquement à l’existence de deux liaisons d’électrons(« doubles liaisons »).

Types de fullerènesDepuis la découverte des fullerènes en 1985, les variationsstructurelles des fullerènes ont évolué bien au-delà desgrappes individuelles elles-mêmes. Les exemples incluent:

Clusters de Buckyball: le plus petit membre est le C20(version allemande de dodécaèdre) et le plus commun est leC 60;

Nanotubes: tubes creux de très petites dimensions, à paroissimples ou multiples; applications potentielles dansl’industrie électronique;

Megatubes: nanotubes plus grands que le diamètre et préparésavec des parois d’épaisseurs différentes; potentiellementutilisé pour le transport de diverses molécules de différentestailles;

Polymères: des polymères à chaîne, bidimensionnels ettridimensionnels sont formés dans des conditions de hautetempérature à haute pression; les polymères monocaténairessont formés en utilisant la voie de polymérisation radicalairepar transfert d’atomes (ATRAP);

Nano « oignons »: particules sphériques basées sur demultiples couches de carbone entourant un noyau de buckyball;proposées pour les lubrifiants;

Des dimères « ball-and-chain » liés: deux buckyballs reliéspar une chaîne carbonée;

Anneaux de fullerène.

Figure 2. Types de Fullerènes

Propriétés physico-chimiquesAu début des années 2000, les propriétés chimiques etphysiques des fullerènes étaient un sujet très intéressantdans le domaine de la recherche et du développement. Lascience populaire a examiné les utilisations possibles desfullerènes (graphène) dans les armure. En avril 2003, desfullerènes étaient à l’étude pour un usage médicinalpotentiel: la liaison d’antibiotiques spécifiques à lastructure pour cibler des bactéries résistantes et même ciblercertaines cellules cancéreuses telles que le mélanome. Lenuméro d’octobre 2005 de Chemistry & Biology émet un articledécrivant l’utilisation du fullerène en tant qu’agentantimicrobien activé par la lumière.

Dans le domaine de la nanotechnologie, la résistance à lachaleur et la supraconductivité font partie des propriétés lesplus étudiées.

Dans une atmosphère inerte. Le plasma de carbone résultantentre les électrodes se refroidit dans la suie à partir delaquelle de nombreux fullerènes peuvent être isolés.

Méthodes quantiques ab initio appliquées aux fullerènes. Parles méthodes DFT et TD-DFT on peut obtenir les spectres IR,Raman et UV. Les résultats de ces calculs peuvent êtrecomparés aux résultats expérimentaux.

AromaticitéLes chercheurs ont été en mesure d’augmenter la réactivité desfullerènes en attachant des groupes actifs à leurssurfaces. Buckminsterfullerene ne présente pas de« superaromaticité », c’est-à-dire que les électrons desanneaux hexagonaux ne se délocalisent pas sur toute lamolécule.

Un fullerène sphérique de n atomes de carbonepossède n électrons pi-liants , libres de sedélocaliser. Ceux-ci devraient essayer de se délocaliser surtoute la molécule. La mécanique quantique d’un tel arrangementne devrait ressembler qu’à une seule coquille de la structuremécanique quantique bien connue d’un seul atome, avec unecoquille remplie stable pour n = 2, 8, 18, 32, 50, 72, 98,128, etc.; soit deux fois un nombre carré parfait ; mais cettesérie ne comprend pas 60. Cette règle 2 ( N +

1) 2 (avec N entier) pour l’aromaticité sphérique estl’analogue tridimensionnel de larègle de Hückel . Le cation 10+satisfaireait cette règle, etdevrait être aromatique. Ceci a été montré pour être le cas enutilisant la modélisation chimique quantique , qui a montrél’existence de forts courants sphériques diamagnétiques dansle cation.

En conséquence, C 60 dans l’eau tend à prendre deux autresélectrons et à devenir un anion . Le n C 60 décrit ci-dessouspeut être le résultat de C 60 essayant de former une liaisonmétallique lâche .

ChimieLes fullerènes sont stables, mais pas totalement nonréactifs. Les atomes de carbone hybrides sp 2 , qui sont à leurminimum d’énergie dans le graphite plan , doivent être courbéspour former la sphère ou le tube fermé, ce qui produitune déformation angulaire . La réaction caractéristique des

fullerènes est plus électrophile au niveau des liaisons 6,6-doubles, ce qui réduit la souche d’angle en changeantsp 2 atomes de carbone hybridé en sp 3 hybridé petits. Lamodification des orbitales hybridées fait baisser les anglesde liaison d’environ 120 ° dans les orbitales sp 2 à environ109,5 ° dans les sp 3orbitales. Cette diminution des angles deliaison permet aux liaisons de se courber moins lors de lafermeture de la sphère ou du tube, et ainsi, la moléculedevient plus stable.D’autres atomes peuvent être piégés à l’intérieur desfullerènes pour former des composés d’inclusion connus sousle nom de fullerènes endoédriques . Un exemple inhabituel estle fullerène Tb 3 N @ C 84 en forme d’œuf , qui viole la règle dupentagone isolé. Des preuves récentes d’un impact de météoresà la fin de la période permienne ont été trouvées en analysantdes gaz nobles ainsi préservés. Les inoculums à basede métallofullérène utilisant le procédé del’acier rhonditique commencent la production comme l’une despremières utilisations commercialement viables des buckyballs.

Synthèse des fullerènesDeux théories ont été proposées pour décrire les mécanismesmoléculaires qui produisent les fullerènes. L’ancienne théorie«ascendante» propose qu’ils soient construits atome paratome. L’approche «top-down» alternative prétend que lesfullerènes se forment quand des structures beaucoup plusgrandes se divisent en parties constituantes.

En 2013, les chercheurs ont découvert que les fullerènesasymétriques formés à partir de structures plus grandes setransforment en fullerènes stables. La substance synthétiséeétait un métallofullerène particulier constitué de 84 atomesde carbone avec deux atomes de carbone supplémentaires etdeux atomes d’yttrium à l’intérieur de la cage. Le procédé aproduit environ 100 microgrammes.

Cependant, on a trouvé que la molécule asymétrique pourrait

théoriquement s’effondrer pour former presque tous lesfullerènes et métallofullérènes connus. Des perturbationsmineures impliquant la rupture de quelques liaisonsmoléculaires rendent la cage très symétrique et stable. Cetteidée soutient la théorie selon laquelle les fullerènes peuventêtre formés à partir du graphène lorsque les liaisonsmoléculaires appropriées sont rompues.

Technologies de productionLes procédés de production de fullerène comprennent les cinqsous-processus suivants: (i) synthèse de fullerènes ou de suiecontenant du fullerène; (ii) l’extraction; (iii) séparation(purification) pour chaque molécule de fullerène, donnant desfullerènes purs tels que C 60 ; (iv) la synthèse de dérivés (enutilisant principalement les techniques de synthèseorganique); (v) autre post-traitement tel qu’une dispersiondans une matrice. Les deux méthodes de synthèse utilisées dansla pratique sont la méthode de l’arc et la méthode decombustion. Ce dernier, découvert au Massachusetts Instituteof Technology , est préféré pour la production industrielle àgrande échelle.

ApplicationsLes fullerènes ont été largement utilisés pour plusieursapplications biomédicales, notamment la conception d’agents decontraste IRM à haute performance, d’agents de contraste pourl’imagerie radiographique, de thérapie photodynamique et detransport de médicaments et de gènes, résumées dans plusieursrevues complètes.

Sécurité et ToxicitéUne revue complète et récente sur la toxicité du fullerène aété réalisée par Lalwani et al. Ces auteurs passent en revueles travaux sur la toxicité du fullerène depuis le début des

années 1990 jusqu’au présent et concluent que très peu depreuves recueillies depuis la découverte des fullerènesindiquent que le C 60 est toxique. La toxicité de cesnanoparticules de carbone dépend non seulement de la dose etdu temps, mais dépend également d’un certain nombre d’autresfacteurs tels que: le type (par exemple, C 60 , C 70 , M @ C 60 ,M @ C 8 2, les groupes fonctionnels utilisés pourhydrosolubiliser ces nanoparticules (par exemple, OH, COOH),et la méthode d’administration (par exemple, intraveineuse,intrapéritonéale). Les auteurs recommandent donc que lapharmacologie de chaque nouveau complexe à base de fullerèneou de métallofullérène soit évaluée individuellement en tantque composé différent.

Fullerènes carbonylés:propriétés physico-chimiqueset Applications potentiellesUn fullerène est une molécule de carbone pure composée d’aumoins 60 atomes de carbone. Les fullerènes sont considéréscomme des composants prometteurs pour les futurs systèmesmicro-électromécaniques (MEMS) et des nanotechnologies. Letravail actuel sur le fullerène est largement théorique etexpérimental.

Les fullerènes carbonylés pourraient avoir de très largesapplications dans la science et la technologie. Parconséquent, il est particulièrement intéressant d’étudier lespropriétés physico-chimiques et biologiques et les

applications de ces composés.

Le fullerène de Buckminster (C60) a été découvert en 1985 parRichard Smalley, Robert Curl et Harold Kroto, qui ont reçu leprix Nobel de chimie en 1996. Les années suivantes ont vu unesérie de découvertes dans les domaines de la nanoscience et dela nanotechnologie. Les propriétés des fullerènes ont étéétudiées en vue d’une utilisation potentielle en médecine, entant qu’agents antimicrobiens activés par la lumière, pourleur résistance à la chaleur, pour leur supraconductivité etpour leur biocompatibilité. Les nanomatériaux à base defullerène ont été utilisés dans des dispositifsphotovoltaïques, des dispositifs biomédicaux, des piles àcombustible et des procédés membranaires. Cependant,l’application de fullerènes peut être limitée en raison desproblèmes associés au mélange des molécules dans des solutionsaqueuses. Par exemple, la solubilité de C60 dans l’eau à 298 K

est égale à 1,3.10-11 g l-1; la solubilité de C70 est égale à 1,1

· 10-13 g l-1 . Les formes solubles dans l’eau des dérivés dufullerène trouvent de larges applications en génie mécanique(dans les mélanges de refroidissement et antifrictionhydrosolubles), en construction (en tant qu’additifs solublespour les ciments et les bétons), médicaments et produitspharmaceutiques (en raison de leur compatibilité avec del’eau, des solutions salines physiologiques, du sang, de lalymphe, des sucs gastriques, etc.), des cosmétiques(spécifiquement ceux à base d’eau-alcool). Ces applicationspotentielles suscitent un intérêt particulier dans ledéveloppement de procédés de synthèse de dérivés de fullerènehydrosolubles à l’échelle industrielle. Les fullerènescarbonylés ont une structure modifiable pratique pour uneutilisation pratique et une faible toxicité. Le fullerènecarboxylé est considéré comme l’une des classes hydrosolublesles plus prometteuses des dérivés du fullerène. Cet articleest consacré à la description de la synthèse connue desfullerènes carbonylés hydrosolubles et de leurs propriétés

physico-chimiques et biologiques. L’article analyse égalementles applications possibles de dérivés carbonylés de fullerènesen biologie et en médecine, en agriculture et en tant quenano-modifiants de polymères.

Synthèse de fullerènes carbonylésL’analyse de la littérature révèle la présence d’articlesconsacrés à la synthèse de fullerènes carbonylés avecdifférents degrés de substitution ainsi que de divers groupessubstituants. Typiquement, la synthèse est réalisée en deuxétapes: la cyclopropanation du fullerène (ou réaction deBingel) et l’hydrogénolyse des esters de fullerène.

La cyclopropanation des fullerènes en présence de basesorganiques (NaH, DBU, pyridine, tert-butylate de potassium,NaH, triméthylamine, K2CO3) est l’un des outils les plusefficaces pour la synthèse des méthanofullerènes. Au cours dela première étape, l’ajout nucléophile de carbanion α-halogènestabilisé au noyau de fullerène a lieu. Ce processuss’accompagne d’une substitution intramoléculaire de l’atomed’halogène par un centre anionique généré sur la sphèrefullerène. Le mécanisme de cette réaction est présenté sur lafigure 1. Tous les dérivés d’esters synthétisés de fullerèneslégers (C60 et C70) sont présentés dans des matériauxsupplémentaires (tableau 1). La figure 2 présentel’hydrogénolyse d’un dérivé ester de fullerènes (synthétisé enutilisant la réaction de Bingel) conduisant à la formation defullerènes carbonylés. Tous les dérivés carboxy synthétisés etcaractérisés des fullerènes sont systématisés dans le tableau2 des matériaux supplémentaires. De plus, des fullerènescarbonylés peuvent être préparés par d’autres méthodes, parex. les dérivés contenant un groupe carboxy peuvent êtresynthétisés en utilisant des ylures, ou via une synthèse enphase solide et par hydrolyse de divers cyclopropylfullerène-3′-carboxylates en milieu acide.

Fig. 1. Mécanisme de formation du dérivé ester des fullerènes.

Tableau 1. Analyse thermique complexe du cristallohydrate deC60 [(C (COOH) 2] 3. Tm – température de l’effet thermiquemaximum, Tb et Te – températures du début et de la fin del’effet thermique, Δm mi / m0– la perte de masse, m0 – masseinitiale.

Fig. 2. Hydrogénolyse du dérivé ester des fullerènes.

Tableau 2. Analyse thermique complexe du cristallohydrate deC70 [(C (COOH) 2] 3. Tm – température de l’effet thermiquemaximum, Tb et Te – températures du début et de la fin del’effet thermique, Δm mi / m0– la perte de masse, m0 – masseinitiale.

Application de fullerènescarbonylés comme nanomodifiants depolyélectrolytesCes dernières années, il y a eu un intérêt croissant pourl’étude des matériaux nanoioniques et de leurs applicationsdans les dispositifs électrochimiques à l’état solide. Dans cecontexte, une attention accrue a été accordée au développementde membranes polymères composites pour piles à combustible etpour les éléments sensibles à l’humidité . L’intérêt pour les

matériaux composites à base de Nafion est apparemment dû àl’absence d’ionomères disponibles dans le commerce dont lesperformances dépassent largement celles des membranesionomères perfluorées. Pour cette raison, l’attention denombreux chercheurs se concentre maintenant sur la recherchede matériaux composites dont les caractéristiques dépassent leNafion nu. La propriété principale qui est généralementtraitée est la conductivité du proton à des températuresélevées et de faibles niveaux d’humidité relative (HR). Enparticulier, une très faible conductivité du proton dans detelles conditions complique les mesures précises, ce quiconstitue un obstacle à l’utilisation du Nafion comme matériaude détection de l’humidité. Un nouveau champ de recherche estle développement de composites de Nafion dopés aux fullérides(fullerènes, nanotubes de carbone et leurs dérivés). Lesauteurs ont préparé les composites de fullerènes carbonylés àNafion et étudié la conductivité protonique des films obtenuspar spectroscopie d ‘impédance. La dépendance relative de l‘humidité de la conductivité protonique des composites Nafion– С60 [(C (COOH) 2] 3 est présentée sur la figure ci dessous.L’influence la plus significative de la concentration endopant sur la conductivité des films composites de Nafion aété observée. 2] 3 dérivé (figure 10). Le composite de Nafioncontenant 1,7 % en poids. % de С60 [(C(COOH) 2] 3 démontre uneconductivité maximale des protons; à HR = 32%, il est environ30 fois plus élevé que la conductivité du Nafion non modifié.Il convient de noter que les mécanismes d’amélioration de laconductivité protonique des matériaux composites obtenus nesont pas toujours clairs. L’augmentation de la conductivitéprotonique des composites de fullerènes Nafion-carbonylés estprobablement liée à l’hydrophilie des dopants qui aide àretenir l’eau supplémentaire dans la matrice de Nafionnécessaire à la migration des protons. 5. Application defullerènes carbonylés en agriculture Les auteurs de [56] ontanalysé l’application prospective de fullerènes carbonylés enagriculture. L’estimation de l’activité biologique de С60 [(C

(COOH) 2] 3 et С70 [(C (COOH) 2] 3 comprenait la déterminationde gammes de concentrations avec des effets positifs, neutreset inhibiteurs sur la germination des graines ainsi que sur lacroissance des racines et germes dans les 7 jours après letrempage des graines. Cette enquête a été menée conformémentaux règles de l’International Seed Testing Association (ISTA)et aux méthodes généralement acceptées. Les graines de cressonde variété «Ajur» (Lepidium sativum L.) (150 grains) ont étéplacées dans les 3 boîtes de Petrie (50 grains par boîte) avecdes solutions aqueuses de dérivés C60-Hyp (les échantillonstémoins ont été cultivés dans de l’eau pure). Après 3 jours,les auteurs déterminent l’énergie de germination des graineset après 7 jours, calculent la capacité germinative desgraines et effectuent des mesures sur la longueur des racineset des germes. Le traitement des graines de cresson par dessolutions aqueuses de С60 [(C (COOH) 2] 3 et С70 [(C(COOH) 2] 3 a conduit aux effets suivants (voir Tableaux 5 et6): (i) dans l’intervalle de concentration 0,01- 50 mg l-1 lesauteurs ont déterminé l’influence positive des fullerènescarbonylés sur la croissance des plantes au cours des premiersstades de l’ontogenèse; (ii) dans l’intervalle deconcentrations allant jusqu’à 0,01 mg l-1, les auteurs n’ontdétecté aucun effet notable de С60 [(C (COOH) 2] 3 et С70 [(C(COOH) 2] 3 sur la croissance des plantes; (iii) le traitementdes plantes par des solutions de fullerène carboxylé dans larégion de concentration de 50 à 100 mg / l conduit à unediminution de la longueur des racines. Dans le même temps, leplus grand effet positif sur la croissance des plantules degraines a été observé à des concentrations de С60 [(C(COOH) 2] 3 et С70 [(C (COOH) 2] 3 dans des solutions d’eauégales à 0,1 et 0,01 · l-1 en conséquence. L’activitébiologique établie des dérivés de fullerène carbonylés et leurimpact positif sur la croissance des plantes aux stadesprécoces suggèrent que cette influence peut être maintenue auxstades ultérieurs du développement de la plante.

Tableau 5: Effet du dérivé C60 [(C (COOH) 2] 3 sur lescaractéristiques morphologiques et physiologiques des grainesde la variété de cresson Azur

Tableau 6: Effet du dérivé C70 [(C (COOH) 2] 3 sur lescaractéristiques morphologiques et physiologiques des grainesde la variété de cresson Azur

Les fullerènes carbonylés enbiologie et en médecineLe problème de l’étude de l’activité biologique des fullerènesdans leur ensemble, et en particulier du C60, a toujours étéassocié au problème de la solubilité. Ce n’est pas unecoïncidence si l’écrasante majorité des dérivés de fullerènebiologiquement actifs connus sont acides, bien qu’il y aitnaturellement des représentants d’autres types de composésorganiques. Les deux premiers fullerènes « biologiquementactifs » représentaient, au sens large, des« carboxyfullerènes », c’est-à-dire des acides carboxyliquescontenant un résidu du noyau fullerène dans une molécule:

composé I, agent photodynamique provoquant le clivage de l’ADNet ayant un effet cytotoxique, et le composé II, l’inhibiteurstérique de la protéase du virus du SIDA. La littérature deces dernières années fournit de nombreux exemples, enparticulier quand seule la preuve de la structure, la seuleconfirmation de la structure des composés obtenus, est laméthode de synthèse.

Par exemple, les dérivés de fullerène C60 monofonctionnaliséshydrosolubles avec des acides aminés obtenus par réactiondirecte avec des acides aminés en milieu alcalin ont étédécrits à plusieurs reprises, mais sans description sérieusede la structure. Cependant, il est bien connu que lesmonoadduits contenant des fullerènes contenant au mieux deuxgroupes ioniques ne sont pas solubles dans l’eau. Pour obtenirune solubilité dans l’eau suffisante sans l’aide d’unsurfactant ou d’un co-solvant, il faut au moins trois chargessur les additifs. La détermination de la structure par laméthode de synthèse est erronée car elle ne prend pas encompte les effets secondaires possibles, par ex. lapossibilité de la formation de fullerénols dans un milieualcalin dans le cas de la préparation des dérivés d’acidesaminés mentionnée ci-dessus. Dans le cas des fullerènes eux-mêmes, le facteur de complication est l’impossibilité (àl’heure actuelle) de la séparation du mélange réactionnel etle dégagement des composés individuels, et, par conséquent, iln’y a pas de contrôle fiable de la reproductibilité de lasynthèse. L. Dugan, qui a étudié l’effet des fullerénols surle SNC, a écrit à ce sujet dans un article récent: «Nous avonsrécemment rapporté des effets neuroprotecteurs prometteurs dedérivés polyhydroxylés antioxydants de C60 sur des neuronescorticaux en culture. Cependant, d’autres tests ont révélé unevariabilité considérable entre les lots de solubilité dansl’eau et les effets biologiques, reflétant probablement desdifférences incontrôlées dans le nombre et l’emplacement desgroupements hydroxyle et hémicétal aboutissant à la coquilleC60. Pour affiner cette stratégie, nous nous sommes tournés

vers les dérivés de l’acide malonique de C60, [(C (COOH) 2] 3,synthétisés et purifiés comme deux spécifiques régioisomèresavec symétrie C3 et D3 et démontré qu’ils sont desantioxydants neuroprotecteurs efficaces in vitro et in vivo »Dans ce sens, la réaction de Bingel qui est la réactiond’addition des résidus d’acide malonique au noyau de fullerèneest plus spécifique, conduisant à un nombre limité de produitsbien caractérisés. Non moins significatif est le fait quependant la réaction de Bingel, les additifs de taillerelativement petite sont introduits dans le noyau. Ainsi, ildonne la possibilité d’estimer la contribution du noyau dansla manifestation de n’importe quelle propriété, et non unnuage d’addenda, ce qui bloque presque l’accès au noyau.Cependant, dans le cas de produits préparés par réaction deBingel, tout n’est pas toujours clair.

A l’effort, l’efficacité des photosensibilisateurs basés surdivers dérivés du malonate fullerène (fullerènes modifiés parl’acide dimalonique (DFs), fullerènes modifiés par l’acidetrimalonique (TFs) et fullerènes modifiés par l’acidequadrimalonique (QF)), ainsi que différentes tailles de cage(C60 et C70) a été estimée. Les auteurs ont conclu que lefullerène C70 est plus efficace en tant quephotosensibilisateur que le C60, et que l’efficacité del’action dépend fortement de la modification du noyau.Cependant, il n’y a pas de détails sur la structure descomposés étudiés – en particulier, la compositionrégioisomérique – dans cet ouvrage et dans les travaux cités .En outre, dans le dernier travail QFs est décrit comme C70 [(C(COOH) 2] 3 4-8. Les leaders implicites dans les études« carboxyfullerènes » sont deux dérivés isomères tris desdérivés fullerène C60-t, t, t- et e, e, e-trismalonate quisont respectivement D3 et C3. Dans l’isomère D3, lessubstituants sont situés le long de l’équateur du noyau,tandis que dans l’isomère C3, les substituants sont situés surla même hémisphère. Ces distinctions dans la position dessubstituants sur la surface du noyau de fullerène conduisent à

des différences significatives dans leurs propriétés.L’isomère D3 n’a pas de moment dipolaire et c’est un composéhydrophile, tandis que l’isomère C3 a un moment dipolaire etc’est un composé amphipathique (c’est-à-dire qu’il contientdes régions hydrophiles et lipophiles).

Une grande lipophilie de l’isomère C3 par rapport à l’isomèreD3 est montrée dans l’interaction avec la bicouche lipidiqueartificielle. L’avantage essentiel de ces composés pour labiologie est le nombre relativement faible de substituants,leur taille et l’absence d’ambiguïté des structures stériques.D’une part, ils conservent toutes les principales propriétésbiologiques du fullerène vierge. D’autre part, il permet demesurer l’impact du noyau de fullerène lui-même sur l’activitébiologique, comme mentionné ci-dessus . C’est peut-êtrepourquoi les triscarboxyfullerènes C3 et D3 ont été proposéscomme sondes pharmacologiques pour déterminer les mécanismeset les détails du mécanisme de divers effets biologiques .Comme déjà dit, au milieu des années 90, les étudesapprofondies des propriétés biologiques des« carboxyfullerènes » ont commencé. En première approximation,on peut dire que tous les principaux effets des isomères C3 etD3 ont été établis dans ce travail, et tous les travauxultérieurs ont seulement décrit ou clarifié cette étude. Desétudes par résonance paramagnétique électronique (EPS) ontmontré que les isomères C3 et D3 en solution sont desextincteurs efficaces du radical hydroxyle ОН • et du radicalanion superoxyde О2 – •. Dans des expériences in vitro, cesisomères empêchent la mort neuronale induite par les agonistesdes récepteurs N-méthylD-aspartate (NMDA) et α-amino-3-hydroxy-5-méthyl-4-isoxazolepropionique (AMPA) [l’authenticitéde ce modèle est en raison du fait que dans les conditions demort neuronale les principaux facteurs dommageables sontdifférentes espèces réactives de l’oxygène (ROS) et l’oxydenitrique provoquée par l’hyperstimulation des récepteurs duglutamate]. Ainsi, l’isomère C3 semble être comparable entermes d’efficacité avec des composés tels que les

antagonistes des récepteurs NMDA, mais sans aucunemanifestation des propriétés antagonistes du NMDA. Il aégalement réduit la mort neuronale due à l’apoptose causée parles peptides β-amyloïdes. En 2000, il a été montré que les« carboxyfullerènes » comme inhibiteur de radicaux librespeuvent favoriser l’inhibition de l’apoptose de diversescellules telles que neuronales , hépatomes , cellulesépithéliales et cellules mononucléaires du sang périphériquehumain. (PBMC).

L’apoptose des cellules se fait par deux mécanismesprincipaux: la voie extrinsèque (voie du récepteur de la mort)et la voie intrinsèque (voie mitochondriale). Il est bienconnu que les nanomatériaux à base de dérivés de fullerènehydrosolubles sont de puissants antioxydants et peuventempêcher la surproduction de ROS dans les mitochondries.Contrairement aux autres antioxydants (N-acétyl-L-cystéine etacide ascorbique), les Triscarboxyfullerènes C3 et D3 ontmontré un effet anti-apoptotique sur la culture des cellulesHep3B sur le fond du facteur de croissance transformant-β(TGF-β), alors que l’activité corrélé à la capacité d’éliminerles ROS générés par TGF-β. Entre les deux régioisomères, C3avait un effet protecteur plus puissant. Il a été démontré queles « carboxyfullerènes » C3 et D3 peuvent interagir avec Labicouche lipidique artificielle, mais dans le cas de C3, cetteinteraction est plus prononcée que dans le cas de l’isomère D3. Il a également été montré que l’un des dérivés malonate dufullerène C60, à savoir le trans-2 C60 (C (COOH) 2) 2 ,stabilise les lysosomes et inhibe ainsi l’apoptose induite parle facteur de nécrose tumorale. Les agrégats nanométriques dudérivé de fullerène endocytés dans les cellules et enrichisdans les lysosomes. Au cours de l’internationalisation detrans-2 C60 (C (COOH) 2) 2, l’expression de la protéine Hsp 70est fortement régulée, ce qui favorise la survie des cellulesen inhibant la perméabilité des membranes lysosomales. Enoutre, l’environnement acide dans les lysosomes a un effetprononcé mais temporaire sur la distribution de la taille des

particules jusqu’à la dispersion de C60 (C (COOH) 2) 2 pourles molécules individuelles. Ainsi, les nanoparticules de typeC60 (C (COOH) 2) 2 inhibent l’apoptose des cellules enstabilisant les membranes des lysosomes par des mécanismesdirects et indirects, les mêmes résultats suggèrent que lesnanoparticules de fullerène ne devraient pas être considéréescomme de simples antioxydants. rôle dans le développement deseffets biologiques. Dans le développement de l’effet toxiquede l’acrylamide sur les cellules de neuroblastome humain (SH-SY5Y), l’apoptose dépendante de la caspase joue un rôleimportant En même temps, on sait que les carboxyfullerènesprotègent les cellules nerveuses de divers processuspathologiques incluant l’apoptose. Par conséquent, la capacitédes « carboxyfullerènes » à supprimer la cytotoxicité del’acrylamide a été étudiée. Il a été trouvé que C3 abaissaitla fuite de lactate déshydrogénase et augmentait la viabilitécellulaire dans les cellules SH-SY5Y exposées à l’acrylamide.

Il a également été montré que la cytotoxicité de l’acrylamide,y compris les processus d’apoptose, est étroitement liée autaux de glutathion dans les cellules SH-SY5Y et que le« carboxyfullerène » supprime la toxicité en augmentant letaux de glutathion. L’action de C3 est sélective puisquedifférents polyacides sans résidus de fullerène [acidemalonique, bis (carboxyméthyl) trithiocarbonate, 1,1-cyclopropandicarbonate] ou fullerène hydroxylé С60 (ОН) 24n’ont pas d’effets similaires. Cependant, certaines études ontdémontré que la principale contribution à la manifestation despropriétés biologiques est le degré d’agrégation desparticules, mais pas la fonctionnalisation de la surface.Études sur l’influence de différents dérivés du fullerène C60{à savoir le complexe de C60 avec la cyclodextrine, l’hexa-adduit C60 [C (CO2H) 2] 6 avec symétrie Th et le tris-adduitC60 [C (CO2H) 2] 3 avec symétrie C3 } sur le stress oxydatifintracellulaire, la nécrose et l’apoptose dans les monocytesdes cellules humaines THP1 ont montré que la présence degroupes carboxyle est un facteur qui réduit le degré

d’induction de l’apoptose, alors que la fonction redox a uneffet significatif. Ces données et d’autres permettent auxauteurs de conclure que les propriétés physico-chimiques desdérivés du fullerène influencent significativement lesmanifestations des propriétés biologiques. Ces découvertessont importantes car on a longtemps pensé que le e-tris-malonate C3 (IV) en solution aqueuse existe sous la forme demolécules individuelles. Cependant, en réalité ce n’est pasvrai. La capacité des molécules C3 à s’agréger en fonction dela concentration, de la température et du pH a été étudiée pardiffusion dynamique de la lumière. On a trouvé que dans desconditions physiologiques, C3 forme des agrégats polydispersésdont la taille ne varie pas significativement avec leschangements de concentration ou de température, mais tend àaugmenter à un pH bas. Les données de microscopie électroniquemontrent que ces molécules forment des amas sphériques etellipsoïdaux dispersés de manière homogène de naturecristalline avec une taille de 40-80 nm qui contiennent de ~ 6

• 104 à ~ 5 • 105 molécules С3.

Fig. 11. Schéma des effets biologiques et des applicationspossibles des fullerènes carbonylés en médecine.

Les résultats obtenus démontrent que dans les cellulesl’action neuroprotectrice de C3 était déterminé par cesagrégats au lieu des molécules individuelles. Auparavant, onpensait que C3 montre les propriétés de l’absorbeur deradicaux dans les rapports stoechiométriques. Cependant, lesdonnées que C3 agit comme superoxyde dismutase suggèrent qu’ilest probablement inclus dans la réaction comme un catalyseur,plutôt que comme un réactif. Dans ce scénario, l’anionsuperoxyde est converti catalytiquement en oxygène et enperoxyde d’hydrogène par des agrégats cristallins fonctionnantpeut-être par un mécanisme de concert. Sur le modèle del’ischémie cérébrale causée par l’occlusion de l’artèrecentrale, il est montré que C3 a un effet neuroprotecteur,puisque à la dose de 40 mg / kg, les lésions cérébrales des

souris ont été réduites de 75%. L’effet observé dépend de ladose et du temps, mais une inhibition significative apparaît 6h après l’occlusion. Avec l’utilisation d’anticorps, il a étémontré que des « carboxyfullerènes » sont observés sur lesneurones et le ventricule dans l’hémisphère homolatéral dessouris traitées au carboxyfullerène.

Les triscarboxyfullerènes C3 et D3 sont capables de prévenir àla fois la dégénérescence induite par la MPP (+) (1-méthyl-4-phénylpyridine) et la 6-hydroxydopamine des neuronesdopaminergiques mésencéphaliques. Des expériences sur desprimates montrent que C3 est un composé prometteur pour ledéveloppement de médicaments contre la maladie de Parkinson.Dans le même temps, il a été indiqué que l’introduction de cecomposé ne montre pas d’effets toxiques pendant 2 mois. Lesdifférences des structures des isomères C3 et D3 conduisent àdes différences claires et nettes dans leur interaction avecles membranes. Ceci s’applique principalement aux actionsneuroprotectrices et aux effets sur les cultures tissulaires.La comparaison des activités des isomères a montré que dans laculture cellulaire, le C3 est plus actif, ce qui estprobablement dû au fait que la nature amphiphile lui permet depénétrer facilement dans les membranes biologiques. Ceci estclairement vu en comparant leur action antivirale. L’isomèreC3 à une concentration de 10 uM inhibe le virus Dengue-2 sousillumination, c’est-à-dire par un mécanisme photochimique,comprenant la formation d’oxygène singulet ou d’autres ROS.Cependant, son activité antivirale peut également se produirepar d’autres mécanismes: à la concentration de 40 μM, ellesupprime presque complètement la réplication virale même dansl’obscurité totale. Les auteurs ont suggéré que l’inactivationdu virus Dengue-2 par un mécanisme indépendant de la lumièreest le résultat de la suppression du stade d’absorption duvirus en raison de l’interaction hydrophobe avec l’enveloppelipidique C3 du virus. Le test de cette hypothèse a étéréalisé dans une étude comparative de l’activité antiviraledes deux isomères C3 et D3 contre divers virus. Il a été

constaté que l’isomère lipophile C3 dosé inhibe plus laréplication du virus dans l’obscurité et est significativementplus actif que l’isomère D3. L’inhibition de la replication devirus avantageusement enveloppés par l’isomère C3 indique quele mécanisme de son action antivirale, indépendant de lalumière, est lié à son effet sur la membrane. Au cours del’étude de l’influence de ce composé sur les virus Dengue-2enveloppés, le virus de l’encéphalite japonaise (JEV) et deuxvirus non entérovés (entérovirus 71 (EV71) et virus coxsackieB3), C3 inhibe efficacement les deux types de virusenveloppés. pas actif contre les espèces non développées, cequi confirme la conclusion que le fullerène doit être mis encontact avec son enveloppe lipidique pour l’inactivationvirale [84]. Un autre exemple de l’influence de la lipophiliedifférente des fullerènes C3 et D3 peut être trouvé dans laRéf. La comparaison de leurs effets sur la peroxydationlipidique dans les liposomes a montré que l’isomère C3 réagitplus efficacement avec les radicaux hydroxyles que D3. Lacause des différences observées au cours du test dans lesystème liposome est l’interaction différente de ces composésavec la bicouche lipidique. Puisque l’isomère C3 est pluslipophile que D3, il pénètre mieux dans la bicouche lipidique.

L’isomère C3 apparaît plus proche des sites de formation desradicaux et, naturellement, mieux les trempe. Ceci estconfirmé également par le fait que, lorsqu’on évalue l’actionprotectrice des composés d’essai sur le modèle utilisant desliposomes, le C60 lipophile présente une action plus prononcéecomme radical anti-hydroxyle et radical anion superoxyde quela vitamine E. Carboxyfullerene peut être utilisé nonseulement comme substances biologiquement actives, mais aussicomme base pour la synthèse de nouveaux composés hautementactifs. Par exemple, un conjugué covalent de fullerène etdoxorubicine C60-Dox V a été obtenu par dérivé malonylé ethybride adamant-oligoetilenglikol-fullerène VI. En relationavec les questions discutées, il est intéressant de comparerles effets de deux dérivés du fullerène tels que C3 et

monoadduct dendrimère VII. Selon les auteurs, la différence destructure de ces composés conduit à de grandes différencesdans leur interaction avec les membranes. En résultat, dansdes conditions normales, seul le dendrimère VII inhibaitnettement la croissance cellulaire, c’est-à-dire qu’il avaitune cytotoxicité directe. Cependant, photocytotox déterminépar ces agrégats au lieu des molécules individuelles.

Auparavant, on pensait que C3 montre les propriétés del’absorbeur de radicaux dans les rapports stoechiométriques.Cependant, les données que C3 agit comme superoxyde dismutasesuggèrent qu’il est probablement inclus dans la réaction commeun catalyseur, plutôt que comme un réactif [80]. Dans cescénario, l’anion superoxyde est converti catalytiquement enoxygène et en peroxyde d’hydrogène par des agrégatscristallins fonctionnant peut-être par un mécanisme deconcert. Sur le modèle de l’ischémie cérébrale causée parl’occlusion de l’artère centrale, il est montré que C3 a uneffet neuroprotecteur, puisque à la dose de 40 mg / kg, leslésions cérébrales des souris ont été réduites de 75%. L’effetobservé dépend de la dose et du temps, mais une inhibitionsignificative apparaît 6 h après l’occlusion. Avecl’utilisation d’anticorps, il a été montré que des« carboxyfullerènes » sont observés sur les neurones et leventricule dans l’hémisphère homolatéral des souris traitéesau carboxyfullerène [81]. Les triscarboxyfullerènes C3 et D3sont capables de prévenir à la fois la dégénérescence induitepar la MPP (+) (1-méthyl-4-phénylpyridine) et la 6-hydroxydopamine des neurones dopaminergiques mésencéphaliques[82]. Des expériences sur des primates montrent que C3 est uncomposé prometteur pour le développement de médicaments contrela maladie de Parkinson. Dans le même temps, il a été indiquéque l’introduction de ce composé ne montre pas d’effetstoxiques pendant 2 mois. Les différences des structures desisomères C3 et D3 conduisent à des différences claires etnettes dans leur interaction avec les membranes. Cecis’applique principalement aux actions neuroprotectrices et aux

effets sur les cultures tissulaires. La comparaison desactivités des isomères a montré que dans la culturecellulaire, le C3 est plus actif, ce qui est probablement dûau fait que la nature amphiphile lui permet de pénétrerfacilement dans les membranes biologiques. Ceci est clairementvu en comparant leur action antivirale. L’isomère C3 à uneconcentration de 10 uM inhibe le virus Dengue-2 sousillumination, c’est-à-dire par un mécanisme photochimique,comprenant la formation d’oxygène singulet ou d’autres ROS.Cependant, son activité antivirale peut également se produirepar d’autres mécanismes: à la concentration de 40 μM, ellesupprime presque complètement la réplication virale même dansl’obscurité totale. Les auteurs ont suggéré que l’inactivationdu virus Dengue-2 par un mécanisme indépendant de la lumièreest le résultat de la suppression du stade d’absorption duvirus en raison de l’interaction hydrophobe avec l’enveloppelipidique C3 du virus. Le test de cette hypothèse a étéréalisé dans une étude comparative de l’activité antiviraledes deux isomères C3 et D3 contre divers virus. Il a étéconstaté que l’isomère lipophile C3 dosé inhibe plus laréplication du virus dans l’obscurité et est significativementplus actif que l’isomère D3 [27]. L’inhibition de lareplication de virus avantageusement enveloppés par l’isomèreC3 indique que le mécanisme de son action antivirale,indépendant de la lumière, est lié à son effet sur lamembrane. Au cours de l’étude de l’influence de ce composé surles virus Dengue-2 enveloppés, le virus de l’encéphalitejaponaise (JEV) et deux virus non entérovés (entérovirus 71(EV71) et virus coxsackie B3), C3 inhibe efficacement les deuxtypes de virus enveloppés. pas actif contre les espèces nondéveloppées, ce qui confirme la conclusion que le fullerènedoit être mis en contact avec son enveloppe lipidique pourl’inactivation virale. Un autre exemple de l’influence de lalipophilie différente des fullerènes C3 et D3 peut être trouvédans la Réf. La comparaison de leurs effets sur laperoxydation lipidique dans les liposomes a montré quel’isomère C3 réagit plus efficacement avec les radicaux

hydroxyles que D3. La cause des différences observées au coursdu test dans le système liposome est l’interaction différentede ces composés avec la bicouche lipidique. Puisque l’isomèreC3 est plus lipophile que D3, il pénètre mieux dans labicouche lipidique. L’isomère C3 apparaît plus proche dessites de formation des radicaux et, naturellement, mieux lestrempe. Ceci est confirmé également par le fait que, lorsqu’onévalue l’action protectrice des composés d’essai sur le modèleutilisant des liposomes, le C60 lipophile présente une actionplus prononcée comme radical anti-hydroxyle et radical anionsuperoxyde que la vitamine E. Carboxyfullerene peut êtreutilisé non seulement comme substances biologiquement actives,mais aussi comme base pour la synthèse de nouveaux composéshautement actifs. Par exemple, un conjugué covalent defullerène et doxorubicine C60-Dox V a été obtenu par dérivémalonylé et hybride adamant-oligoetilenglikol-fullerène VI[19,85]. En relation avec les questions discutées, il estintéressant de comparer les effets de deux dérivés dufullerène tels que C3 et monoadduct dendrimère VII. Selon lesauteurs, la différence de structure de ces composés conduit àde grandes différences dans leur interaction avec lesmembranes.

En résultat, dans des conditions normales, seul le dendrimèreVII inhibait nettement la croissance cellulaire, c’est-à-direqu’il avait une cytotoxicité directe. Cependant,photocytotox qui manquent de MnSod, mais C3 a contribué à uneplus grande survie chez les femelles. Il a été démontré quel’administration chronique de C3, en traitement anti-oxydantchez la souris, à la dose de 10 mg / kg sur plusieurs mois,améliore leurs capacités cognitives. Carboxyfullerene C3,comme montré précédemment, a des propriétés neuroprotectrices.C3 en tant que superoxyde dismutase mimétique est capable debloquer l’augmentation persistante de la concentration desuperoxyde dans le cerveau des souris induite par la kétamine.Dans le travail [101], la corrélation de la structure avecl’activité SOD-mimétique de six dérivés de fullerène (C60)

avec un nombre et une localisation différents des groupescarboxyle a été étudiée. Ces composés forment deux séries.Dans la première série, il y a une augmentation du nombre degroupes carboxyle de trois à six: XV (C3lite) <XIV (bis) <XVI(P2) <IV (C3). Dans la deuxième série, il existe unarrangement différent d’un nombre fixe de groupes carboxyle (àsavoir six) sur la surface du noyau de fullerène: IV (C3),XVII (E) et III (D3). La neurotoxicité NMDA, qui comprend laformation de superoxyde intracellulaire, a été choisie commemodèle de base pour l’étude de la relation de structure-réactivité entre la réactivité avec la protection dessuperoxydes et des neurones. Une bonne corrélation entre laneuroprotection et la capacité de ces composés à interagiravec le radical superoxyde a été trouvée. Par simulationinformatique, il a été montré que la réactivité vis-à-vis dusuperoxyde est sensible aux changements des momentsdipolaires, qui sont déterminés non seulement par le nombre degroupes carboxyle, mais aussi par la distribution sur le noyaufullerène. Ces données indiquent qu’en évaluant la capacitédes composés susmentionnés à interagir avec le radicalsuperoxyde, leur neuroprotection peut être prédite . Al’effort , il a été montré que le représentant «individuel»des dérivés du malonate С60С (СООН) 2 est également capabled’agir comme un piégeur du radical anion superoxyde. L’étudede la capacité des différents dérivés du fullerène à protégerles cellules de l’action de H2O2, stabiliser le potentiel dela membrane mitochondriale et réduire le niveau de formationdes ROS intracellulaires a permis la séquence d’activitéssuivante: Gd @ C82 (OH) 22 ≥ C60 ( OH) 22> C60 (C (COOH) 2) 2.Selon les auteurs, ces données indiquent que les propriétéschimiques (structure de surface, affinité électronique) etphysiques (en particulier, le degré d’agrégation) affectentl’activité biologique des fullerènes fonctionnalisés. Avec les« carboxyfullerènes » C60, les « carboxyfullerènes » C70 sontégalement décrits. L’un de ceux-ci, C70 (C (COOH) 2) 2-4, estpréparé en faisant réagir du C70 avec du malonate de diéthyleen présence de 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undéc-7-ène dans un

rapport de 1: 1. : 3 suivie de l’hydrolyse des groupes ester.Selon les données de spectres de masse MALDI-TOF, le produitobtenu contient 4 à 8 groupes ester par résidu de fullerène.En milieu de culture, ce « carboxyfullerène » a un potentielnégatif et a tendance à former des agrégats de 100-200 nm.Adsorption de ce « carboxyfullerène » par Nicotiana tobacum L.cv.

Les parois cellulaires lumineuses jaunes ont conduit à ladestruction des parois cellulaires et des membranes et ontcausé l’inhibition de la croissance. Basé sur des données demicroscopie confocale à force atomique, les auteurs ontproposé que ces effets sont associés à l’augmentation derésidus de glycosyl dans la paroi cellulaire dépendante dutemps et de la dose et s’accompagne d’une augmentation desformes réactives de l’oxygène. Parmi d’autres exemples del’interaction des fullerènes avec des objets biologiques, il ya une place particulière pour l’interaction des fullerènesavec les protéines, qui peut être soulignée de nombreux effetsbiologiques. « Carboxyfullerenes » a ouvert la liste dessubstances, qui peuvent former des complexes avec lesprotéines. Il existe des preuves directes de la formation decomplexes supramoléculaires de protéines et de fullerènes, enparticulier le « carboxyfullerène » C3 . De plus, commel’indique à juste titre la littérature, ce problème estimportant, car on ne sait presque rien sur la manière dont lesprotéines peuvent se lier aux molécules de fullerène et sur lanature de ces interactions. Par conséquent, dans ce travail,l’amarrage des deux carboxyfullerène C60 et C3 avec quatreprotéines, la protéase du virus VIH, les anticorps spécifiquesdu fullerène, la sérumalbumine humaine et la sérumalbuminebovine) sont décrits. Il semble que la principale conclusiondu travail est la découverte d’un degré élevé de similaritéentre les sites de liaison de la protéase du VIH et l’albuminehumaine et bovine. Carboxyfullerènes C3 et D3 peuvent trouverune application dans les études liées aux problèmes de lésionsneurodégénératives, comme dans la maladie d’Alzheimer. La

maladie d’Alzheimer, selon l’hypothèse de la cascade amyloïde,est associée à l’accumulation et à l’oligomérisation dupeptide amyloïde Aβ comme stade initial de la maladied’Alzheimer. Comme montré à maintes reprises, le rôle desfullerènes en soi et des carboxyfullerènes sur ledéveloppement et la pathogenèse de la fibrillation amyloïdeest raisonnablement perceptible. Récemment plusieurs apthérapeutiques moléculaires Des approches au traitement de lamaladie d’Alzheimer comprenant l’inhibition de la formation dupeptide Aß et son oligomérisation ont été envisagées [111,112]. De plus, la conception de médicaments qui sont capablesd’inhiber la neurotoxicité cellulaire (neurotoxicitécellulaire) et de fournir ainsi un effet à la foisprophylactique et thérapeutique dans les maladiesneurodégénératives de type Alzheimer est une tâche importante[109]. Ainsi, le stress oxydatif et la toxicité induite parl’amyloïde sont deux processus principaux dans la pathogenèsede la maladie d’Alzheimer et, par conséquent, les principalescibles pour la création d’agents thérapeutiques [112, 113]. Ilexiste un nombre suffisant d’études bien connues montrant queles fullerènes peuvent être utilisés à cet égard. Il estmontré que le tricarboxyfullerène C3 affecte le stressoxydatif et la neurotoxicité, provoque la destruction desfibrilles formées par Аβ42 dans les neurones corticaux enculture et peut bloquer l’apoptose induite par ce peptide[82,114]. Les travaux de groupes de chercheurs de l’Institutde Biophysique Expérimentale et Théorique ont démontréd’autres possibilités d’application du fullerène pour lathérapie amyloïdogénique, par exemple il a été démontré invitro et in vivo que le nano C60 provoque la destruction desfibrilles formées par le fragment Aβ25-35 [115,116 ] Lesradicaux libres d’oxygène sont les intermédiaires les plusimportants dans l’ischémie reperfusion. La littératuredisponible indique que ces radicaux jouent un rôle importantdans le développement des lésions cérébrales [117]. Parconséquent, l’action des piégeurs de radicaux contenant dufullerène dans le tissu cérébral a été évaluée par un modèle

expérimental d’ischémie. L’action du fullerène C3 sur leslésions ischémiques provoquées par l’extension de lareperfusion focale est décrite dans la réf. [117]. Bienqu’aucun effet protecteur sur le cortex cérébral aprèsintroduction intraveineuse n’ait été trouvé, l’introduction dela C3 dans les ventricules latéraux du cerveau a non seulementréduit les lésions du cortex, mais a également empêchél’augmentation du niveau de peroxydation lipidique. Cesdonnées suggèrent que l’introduction de C3 dans lesventricules latéraux du cerveau peut éliminer les dommagesoxydatifs causés par l’ischémie-reperfusion [118]. L’actionprotectrice de C3, associée à une diminution du stressoxydatif, est démontrée in vitro sur des cellules granulairescérébelleuses dans Ref. [70]. Dans ce travail, le modèle de lamort neuronale par apoptose à la suite de changements dansK.N. Semenov et al. Progress in Solid State Chemistry 47-48(2017) 19-36 29 la concentration ionique de K + de 25 à 5 μM aété appliquée. Après avoir réduit la concentration des ions K+ la fonction mitochondriale respiratoire ont été violées, uneréorganisation de la chromatine et la fragmentation de l’ADN àl’oligonucléosome apoptotique se produit. Tous ces processusétaient inhibés en fonction de la dose par C3, et uneréduction significative simultanée de la membranecytoplasmique et des peroxydes et autres ROS s’est produite.Ceci indique que le mécanisme de l’effet protecteur dans cemodèle de C3 est également lié à ses propriétés antioxydantes.L’effet biologique de l’isomère C3, non associé à lagénération de ROS, a été montré dans le travail [71]. Il a étéconstaté que C3 améliore la résistance des cellulesépithéliales à l’apoptose par un mécanisme impliquant soninteraction avec les microfilaments du cytosquelette. L’effetcombiné de C3, présentant une forte propriété antioxydantedans ce cas, et de l’acide ascorbique a empêché l’effettoxique de la lévodopa (LDopa, L-dihydroxyphénylalanine) surune culture de chromaffines surrénales [119]. CarboxyfullereneC3 réduit le niveau de stress oxydatif des rats anesthésiés[120]. Parmi les autres propriétés des carboxyfullerènes, il

convient de noter la protection des kératinocytes humainscontre l’apoptose induite par le rayonnement ultraviolet, unautre mécanisme lié à leurs propriétés antioxydantes [121].L’acide fullerène C60-monomalonique réduit significativementla relaxation sur l’aorte de lapin induite parl’acétylcholine, et cet effet est éliminé en présence desuperoxyde dismutase [122]. Dans le cas du carboxyfullereneC3, un fait étonnant que ses propriétés neuroprotectricescarboxyfullerene C3 dépendent de la voie d’administration aété détecté: potentialisation de l’action neurotoxique de 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6-tétrahydropyridine (MPTP) sousadministration systémique, et action neuroprotectricelorsqu’elle est appliquée par voie topique [123]. Dans lasérie inclue l’acide dimalonate C60 (DMA-C60) (XVIII), l’acidetrismalonate C60 (TMA-C60) (XIX) et l’acide tétramalonate C60(QMAC60) (XX) il a été montré qu’à la concentration decytotoxicité photoinduite de 40 μM ces composés sur lescellules Hela diminuent avec un nombre croissant de résidusd’acide malonique attachés à la molécule de fullerène. Le DMA-C60 (XVIII) sous irradiation présentait déjà une activitécytotoxique contre les cellules HeLa à une concentration de 32μM. L’effet augmente avec l’augmentation de la concentration(c’est-à-dire que la dépendance à la dose a été établie). Il aété noté que des dommages cellulaires graves se produisent àla suite de l’impact photo-induit du DMA-C60. En l’absence delumière, l’effet cytotoxique n’a pas été observé même à laconcentration de 60 μM. Cependant, en l’absence d’irradiation,il n’y avait pas d’effets [124]. Trois « carboxyfullerène »peuvent être distribués par la capacité d’inhibition descellules photoinduites dans l’ordre suivant: DMA-C60 (63%)>TMA-C60 (55%)> QMA-C60 (31%).

Ces données indiquent à nouveau que l’augmentation du nombrede groupes attachés au noyau de fullerène réduit la capacitédes composés à agir en tant que photosensibilisateur. Il estlargement connu que le fullerène C70 est un sensibilisant pluspuissant que le C60 [66,125]. Il s’avère que cela s’applique

également à ses dérivés. Dans l’étude de l’efficacité dedivers « carboxyfullerènes » hydrosolubles commephotosensibilisateurs, six composés ont été utilisés:dimalonate C60 et C70 [fullerènes modifiés par l’acidedimalonique (DFs)], trismalonate C60 et C70 [acidetrimalonique modifié (TFs)], et le tétramalonate C60 et C70[fullerènes modifiés par l’acide tétramalonique (QF)] [66].L’évaluation a été réalisée par leur effet photodynamique surles cellules HeLa. Parmi les six « carboxyfullerènes », le TF70 était le plus efficace, et l’ordre général de leur capacitéà provoquer des dommages photodynamiques était le suivant: TF70> DF 70> QF 70> TF 60> DF 60> QF 60. Il a été déjà mentionnéci-dessus que, malheureusement, il n’y a pas de données surles structures détaillées des composés étudiés, enparticulier, la composition régioisomeric dans ce travail oud’autres. L’activité photodynamique de TF 70 était comparableà celle de la protoporphyrine IX (PpIX, sensibilisantclassique, largement utilisé comme composé de référence). Pourcette raison, compte tenu du potentiel élevé de ce composépour la thérapie PDT, le mécanisme de sa phototoxicité a étéétudié. Il a été trouvé que le TF 70 s’incorpore sous la formede petites amas s’accumulant principalement dans lesorganelles de type endosome dans les cellules HeLa. L’effetPDT élevé du TF 70 observé est probablement lié à l’aciditéenvironnementale dans ces organelles (par exemple, leslysosomes) qui favorise les nanoparticules de désagrégation enformant des agrégats plus petits jusqu’à des moléculesindividuelles [75]. Avec l’utilisation de ces composés (DF60,TF60, QF60, DF70, TF70 et QF70), une étude des impacts del’effet structurel sur l’action cytoprotectrice ducarboxyfullerène sur les cellules musculaires satellites(cellules C2C12) a été menée [104]. Parmi ces composés, ledérivé tétramalonique du fullerène C70 (QF70) protègeefficacement les cellules C2C12 du stress oxydatif induit parH2O2 [104]. Le rendement élevé du fullerène en tant quephotosensibilisateur est étroitement lié à la formationd’oxygène singulet qui diminue considérablement avec le degré

d’agrégation [126].

Des mesures directes des tailles de particules de trois« carboxyfullerènes C70 » par diffusion dynamique de lalumière à une concentration de 2,5 μM dans le milieu deculture ont montré que TF 70 forme des particules de diamètrehydrodynamique d’environ 52 nm, soit moins que DF 70 et QF 70Ainsi, il s’avère que l’effet «taille» prononcé pour TF 70peut favoriser la formation de ROS et accélérer la mortcellulaire induite par la lumière par rapport à DF 70 et QF70. Ces données, bien sûr, sont très intéressantes. Cependant,leur valeur est réduite par le fait que la structure exacte deces composés n’est pas connue. En outre, il n’est pas clair sinous traitons des substances individuelles ou avec un mélangede régioisomères dans tous les cas. La capacité des dérivés defullerène à générer de l’oxygène singulet est déterminée,comme mentionné ci-dessus, non seulement par le type et lenombre de substituants, mais également par la tendance desagrégats à s’agréger. Cependant, l’extrapolation directe deces données photophysiques à l’activité biologique de cescomposés n’est pas toujours valide, car l’activité biologiquedes fullerènes fonctionnalisés est affectée à la fois par leproduit chimique (structure de surface, affinité électronique)et physique (degré d’agrégation ) propriétés [103]. De plus,le problème de l’étude de l’activité biologique desfullerènes, y compris la toxicité relative du fullerène et sesdérivés, est assez compliqué, en raison des difficultésd’interprétation et d’extrapolation des données in vitro auxexpériences in vivo [127]. Une application prometteuse despropriétés membranotropes fullerène pour le transfert dediverses substances à travers la membrane est considérée dansles travaux [128,129]. Laissez-nous examiner brièvement lanature du problème. Des peptides et des protéines contenant del’arginine existent dans une symbiose « fonctionnelle » avecdes contre-ions. Dans ce cas, l’énergie d’interaction entreles résidus d’arginine et les contre-ions est néanmoins assezforte et la réaction d’échange se produit entre eux [130]. Il

a été suggéré que l’interaction avec les contre-ions et laformation de complexes suffisamment stables pourraientexpliquer une partie de la fonction «mystérieuse» des peptideset des protéines riches en arginine (peptides pénétrant lescellules, CPP) dans les membranes. Par exemple, la pénétrationdes polyarginines (pR) à travers une membrane bicouche peuts’expliquer par des changements répétés de leur solubilité enremplaçant le contre-ion, ce qui leur permet de s’adapter àl’environnement [128,129]. Par conséquent, le RPC est unvéhicule pour les ions, dont la pénétration à travers lamembrane bicouche peut être ajustée par des anions amphiphiles[128, 129].

Dans le dernier cas, le complexe CPP (pR) avec un anionhydrophile X [pR · (X) m] converti dans le complexe pR (X) m(Y) n à la suite de l’échange de l’anion hydrophile X à Y.amphiphile. Cet échange entraîne une augmentation de lalipophilie globale du complexe, grâce à quoi il peut pénétrerdans la couche lipidique de la membrane bicouche sphérique. Ens’approchant de la seconde limite de la bicouche, elle peutlibérer la CPP dans l’espace intérieur du liposome, l’anionrestant dans une couche lipidique (un mécanisme de transfertest décrit dans la référence [128]). Des anions d’acidescarboxyliques, contenant des résidus de coronène, pyrène,calix [4] arène et fullerène, en particulier les composés XXIet XXII, peuvent être utilisés comme ions amphiphiles, pourtransporter avec succès des peptides riches en arginine àtravers la bicouche lipidique. Cet effet « activant » descontre-ions est observé dans les systèmes modèles vésiculaireset dans les cellules vivantes. Par conséquent, il peut êtreutilisé pour le transfert à travers la membrane de diversesmolécules hydrophobes chargées et non seulement des protéines,mais aussi des oligonucléotides, en particulier, pour letransfert de gènes [131]. K.N. Semenov et al. En utilisant desdérivés de fullerène, un système de délivrance pour letransfert de composés polaires à travers la barrière hémato-encéphalique (BBB) a été conçu [58]. Les études des propriétés

des complexes d’adduit acide fullerène C60 à based’hexaméthonium dans des expériences in vivo ont été réaliséessur deux modèles: « convulsions nicotiniques » et « activitélocomotrice ». Dans le premier cas, le complexe a bloqué lescrises induites par la nicotine, tandis que dans le second, ila réduit l’activité locomotrice après l’introduction de lanicotine. Ainsi, les données obtenues nous donnent lapossibilité de spéculer que la base d’hexaméthonium polaire entant que complexe avec un dérivé de fullerène acide peutpénétrer dans le SNC. L’utilisation d’adduits de C60 en tantque véhicules pour la délivrance de médicaments et d’agents decontraste nécessite le développement de méthodes pour leurdétection dans des systèmes complexes. Par conséquent,l’électrophorèse capillaire (CE) a été développée pourl’analyse de deux nanoparticules, à savoir le carboxyfullerèneC3 et le dendrofullerène DF1, dans des solutions standard etdu sérum. Ces dérivés fortement solubles du fullerène C60 ontété caractérisés par électrophorèse sur zone capillaire (CZE)en utilisant soit des capillaires de silice fondue nus ourevêtus dynamiquement. Les dosages MEKC et / ou CZE ontensuite été utilisés pour quantifier les nanoparticules C3 etDF1 dans des échantillons de sérum humain dopés. Laquantification des nanoparticules était linéaire de 0 à 500 mg/ mL avec des limites de détection allant de 0,5 à 6 mg ml-1[132]. La distribution de « dicarboxyfullerene » XXI dans unecellule a été étudiée en utilisant des anticorps marqués avecdes colorants fluorescents. Ce composé a traversé la membranecellulaire et est préférentiellement lié à la mitochondrie[31]. Cette localisation intracellulaire des dérivés dufullerène peut expliquer leurs propriétés antioxydantes[33,42], car la production de radicaux libres d’oxygène dansles cellules se produit en raison de la fuite des électrons dela chaîne de transport des électrons des mitochondries [31].Il faut souligner que dans ce cas nous parlons de« dicarboxyfullerenes » – composés contenant deux groupescarboxyle chargés dans les conditions biologiques. Parconséquent, la distribution de cette substance sur les

structures cellulaires peut ne pas correspondre à ladistribution du fullerène primitif non modifié, une substanceextrêmement lipophile. Dans le travail [64], en utilisant desembryons de poisson-zèbre (Danio rerio) comme une comparaisonmodèle de l’activité cytoprotectrice, 12 dérivés fullerène C60hydrosolubles ont été utilisés. Cette série comprend le C3,une série de dendrofullerènes monosubstitués, une série defullerènes similaires à C3 et deux oxoaminofullerènes. Dans cetravail une autre propriété désagréable du fullerène étaitindiquée. C’est le fait que le fullerène se dégraderelativement facilement avec la formation de produitstoxiques.

La vitesse de dégradation à température ambiante dans lapoudre cristalline est d’environ 0,5% par semaine, mais elleest stable à -20 ° C. Dans le DMSO à température ambiante, C3est complètement détruit en quelques minutes. Dans diversessolutions aqueuses (eau distillée, solution tamponnée,solution de glucose à 5%), le taux de désintégration estd’environ 4% par semaine à température ambiante, mais sonabaissement à -20 ° C contribue à la stabilité des solutions.C3 a l’effet protecteur le plus fort sur le modèle decytotoxicité induite par la gentamicine, mais ce composé étaitinstable dans une solution contenant 10% de DMSO et 0,1 N HClet dégradé par décarboxylation avec formation de penta(XXIII), tétra- (XXIV) et tris. – (XXV) formes carboxylées,étant in vivo beaucoup plus toxique que le composé parent.(Dans le tableau de l’ouvrage [64], dans chaque cas, un seulstéréoisomère est donné, bien que les auteurs soulignent qu’ilexiste en réalité un mélange d’isomères.). En ce qui concerneles actions du C3, il a démontré à plusieurs reprises un effetprotecteur (stress et mort cellulaire) dans diverses culturescellulaires et modèles animaux [30,33,70,71,81,119,133-135] Deplus, il semble que le C3 puisse pénétrer en quantitésignificative à travers la barrière hémato-encéphalique etdisparaître corps à travers le foie et les reins [64]. Desétudes de distribution du dérivé Gd @ C60 [C (COOH) 2] 10 in

vivo (rats Fischer 344, par voie intraveineuse, 35 mg kg-1)ont montré que ce composé se présente rapidement dans lesreins, et son accumulation dans le foie est significativementmoins [136]. Dans le même article, il est montré que lapropension à l’agrégation de dérivés polyhydroxylésendoédriques gadolinium contenant des fullerènes(« gadofullerene ») Gd @ C60 (OH) x et Gd @ C60 [C (COOH) 2]10 et les valeurs de relaxation de la les protons en euxdépendent du pH. Cela fait de ces composés les premierscandidats pour les agents de contraste sensibles au pH pourl’étude par résonance magnétique. Des études sur d’autresmodèles d’états pathologiques chez les animaux suggèrent queles antioxydants à base de fullerène peuvent être utiliséscomme agents neuroprotecteurs et dans d’autres troublesneurodégénératifs, y compris la maladie de Parkinson. Pourrésumer tout ce qui précède, il convient de noter que les« carboxyfullerènes » sont des outils très importants pourl’étude des mécanismes détaillés de l’interaction du noyau defullerène avec des objets biologiques, et surtout avec desmembranes biologiques. L’essentiel est le fait qu’ils peuventêtre utilisés comme synthons dans la synthèse de nouveauxdérivés de fullerènes.

ConclusionLe présent artcile systématise les données de la littératuredisponibles sur la synthèse, les propriétés physico-chimiqueset l’application d’une classe prospective de dérivéshydrosolubles de dérivés fullerènes-carbonylés .

L’analyse d’études modernes sur les fullerénols révèle que cesmatériaux nanocarbonés sont au centre de l’attention desscientifiques travaillant dans les domaines de lananotechnologie et de la nanobiotechnologie. Ce fait est lié àdes méthodes relativement simples de synthèse de fullerènescarbonylés ainsi qu’à l’application possible de cette classede dérivés hydrosolubles de fullerènes en tant que précurseurs

pour la création de nanomatériaux plus complexes dedifférentes valeurs fonctionnelles. Nous proposons que parmiles applications potentielles de ces composés, les plusfaisables sont dans les domaines de la biologie et de lamédecine, car de petites quantités de nanocarbone conduisent àune réponse biologique significative dans ces domaines. Lesapplications possibles de fullerènes carbonylés dans labionanomédecine sont résumées à la figure 11. Le grand nombrede données expérimentales et théoriques présentées fournit unevue d’ensemble complète des fullerènes carbonylés et peut êtreutile aux spécialistes des nanotechnologies, des nanomatériauxet de la bionanomédecine.

Nanotubes de carbone pour laNanorobotiqueLa géométrie bien définie, les propriétés mécaniquesexceptionnelles et les caractéristiques électriquesextraordinaires des nanotubes de carbone les qualifient pourstructurer les circuits nanoélectroniques, les systèmesnanoélectromécaniques et les systèmes nanorobotiques. Desdéplacements relatifs entre les coques imbriquées atomiquementlisses dans des nanotubes de carbone multi-couche peuvent êtreexploités comme mécanismes de mouvement nanométriques robustespour des applications telles que des roulements, descommutateurs, des oscillateurs gigahertz, des navettes, desmémoires, des seringues et des actionneurs. Les structurescreuses des nanotubes de carbone peuvent servir de conteneurs,de conduits, de pipettes et de câbles coaxiaux pour stockerune masse ou une charge, ou pour le transport.

Non seulement les nanotubes peuvent servir de blocs de

construction pour des structures, outils, capteurs etactionneurs plus complexes, mais ils peuvent également êtreutilisés comme composants fondamentaux pour les nanorobotsfuturs. Nous passons en revue les progrès technologiques surles nanotubes de carbone liés à la nanorobotique.

La nanorobotique est le domaine émergent de la robotique àl’échelle nanométrique. Il comprend des robots de taillenanométrique, c’est-à-dire des nanorobots (qui n’ont pasencore été réalisés), et de grands robots capables demanipuler des objets ayant des dimensions nanométriques avecune résolution nanométrique, c’est-à-dire des manipulateursnanorobotiques. Bien que les visionnaires aient prévu unavenir nanorobotique de la fabrication moléculaire et de lananomédecine, la forme que prendront les nanorobots et lestâches qu’ils vont accomplir ne sont pas claires. Cependant,il est clair que la nanotechnologie progresse vers laconstruction de structures, d’outils, de capteurs,d’actionneurs et de systèmes de plus de 100 nm qui étendrontnotre capacité à explorer le monde du nano à partir desperspectives de perception, de connaissance et demanipulation. La réduction de la taille de l’appareil à desdimensions nanométriques présente de nombreuses possibilitésfascinantes, comme la manipulation de nano-objets avec desnano-outils, la mesure de masse dans des plages defemtogrammes, la détection de forces à piconewton etl’induction du mouvement gigahertz. Alors que nous comprenonsencore peu en ce qui concerne la mise en œuvre de «fonctionsavancées» telles que l’intelligence, la réplication et lasynthèse mécanochimique atome par atome à l’échellenanométrique, les premiers développements qui ont fondé ledomaine nanorobotique incluent l’invention de nouveaux outilstels que les microscopes à effet tunnel ( STM) et la synthèsede nouveaux nanomatériaux atomiquement bien définis tels queles nanotubes de carbone (NTC).

Tableau 1. Propriétés physiques des NTC

Blocs de construction à base de CNTpour les systèmes nanorobotiquesLa géométrie bien définie, les propriétés mécaniquesexceptionnelles et les caractéristiques électriquesextraordinaires, parmi d’autres propriétés physiquesexceptionnelles des CNT (voir Tableau 1) les qualifient pourdes applications potentielles dans les circuitsnanoélectroniques, les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS),et les systèmes nanorobotiques. Pour les nanorobotiques,certaines des caractéristiques les plus importantes desnanotubes comprennent leur diamètre nanométrique, leur grandformat (10-1000), leur module d’Young, leur excellenteélasticité, leur frottement ultramince, leurs excellentespropriétés d’émission de champs, diverses conductivitésélectriques, conductivité thermique élevée, capacité detransport de courant élevée avec surtout pas de chauffage,sensibilité de la conductance à divers changements physiquesou chimiques, et modification de longueur de liaison induitepar la charge. Les NTC peuvent servir dans des systèmesnanorobotiques en tant qu’éléments structurels, outils,capteurs et actionneurs. Comme le montre la figure 1, à partirdes nanotubes de carbone cultivés, les nanotubes peuvent être

assemblés en structures plus complexes en utilisant desapproches ascendantes ou conçues pour réaliser des blocs deconstruction secondaires en utilisant des approchesdescendantes.

Fig. 1 Blocs de construction à base de NTC. En partant de (a)NTC cultivés, les nanostructures peuvent être créées par lesapproches ascendantes de (b-d) assemblage, (e) remplissage, ou(f) les décorer, ou de manière descendante (g -i) Ingénieriede leurs coquilles / bouchons.

Les NTC cultivés peuvent servir directement d’élémentsfonctionnels pour les nanodispositifs. Le premier exemple d’untel dispositif est la sonde à nanotube pour un microscope àforce atomique (AFM) – qui a été démontré par Dai et al. pouraméliorer la résolution spatiale d’un AFM et protéger lapointe du phénomène de «crash de pointe». Dans ce dispositif,un CNT à parois multiples (MWNT) a été assemblé manuellementsur un cantilever en Si disponible dans le commerce. D’autresdéveloppements ont amélioré la technique de construction pardépôt chimique en phase vapeur (CVD), l’assemblage contrôlé,et le prélèvement d’un tube à partir de nanotubes à paroiunique (SWNT) alignés verticalement à partir de surfaces desubstrat planes. Les pinces à nanotubes ont été construitesavec deux nanotubes sur une fibre de verre et entraînées parl’interaction électrostatique entre elles. En assemblant des

nanotubes de carbone, des structures plus complexes peuventêtre construites. Les jonctions intermoléculaires etintramoléculaires à nanotubes sont des éléments de base pourde telles structures. Pour la nanoélectronique, les circuitsde nanotubes purs créés par l’interconnexion de nanotubes dedifférents diamètres et par chiralité peuvent conduire à laprochaine génération de l’électronique.

Les jonctions suspendues peuvent fonctionner comme une mémoirenon volatile électromécanique. Les mouvements intercouchesentre des coques de carbone individuelles, imbriquées etsuspendues par des forces de van der Waals dans un MWNT,fournissent des performances exceptionnelles en nanobarreslinéaires et rotatives avec une capacité de retour de positioninhérente, et potentiellement en résonateurs / oscillateurs /navettes gigahertz , interrupteurs tubulaires, mémoires,seringues, nano-servomoteurs linéaires avec détection deposition intégrée, et éléments rotatifs pour utilisation dansNEMS.

Outre leurs performances nanomécaniques intéressantes, lavariation de la résistance des NTC avec le mouvement du noyautélescopique fournit un mécanisme électrique unique pourdétecter et contrôler leur fonctionnement. Alors que lesprototypes ont prouvé certains des concepts précédents, lacapacité de modifier de façon contrôlable la structure decoque fermée de MWNT telle que synthétisée pour former desdispositifs intershell-motion est un défi important pour leurfabricabilité et leur commercialisation. Avec leurs noyauxcreux et leurs grands rapports physiques, les NTC sont desconduits possibles pour des quantités nanométriques de diversmatériaux. Une variété de matériaux ont été encapsulés par lesNTC, tels que les métaux et leurs composés, l’eau et lesfullerènes. Des applications pour des dispositifs tels que lesgabarits, les thermomètres et les nanotubes ont étéprésentées. La possibilité de fournir des matériaux encapsulésà partir de coques de carbone présente un grand intérêt en

raison des applications potentielles en tant que sourcesatomiques pour le nanoprototypage, le nanoassemblage etl’injection. Nanoassemblage de CNTs L’étalement aléatoire, lacroissance directe, l’auto-assemblage, l’impression partransfert et l’assemblage diélectrophorétique (DEP) ont étéutilisés pour le positionnement de nanotubes ou autresnanostructures sur des électrodes pour la construction dedispositifs électroniques, généralement NEMS, dans un certaintype de matrice régulière.

Nous avons pu réaliser un dépôt contrôlé de différentes formesnanométriques de carbone sur des copeaux de Si en utilisantdes techniques d’assemblage ascendantes pilotées par DEP. Cetype d’assemblage est compatible avec les techniquestraditionnelles de micro-usinage et de nanomachinage, et offreainsi un outil puissant pour la fabrication par lots de NEMSde nouvelle génération. Plus précisément, nous avons démontrél’aptitude de cette technique à assembler des MWNT, des CNT àdouble paroi (DWNT), des CNT remplis de Cu et des bobines deCNT (figure 2). Le processus utilisé pour construire le réseaude nanostructures est le suivant.

Tout d’abord, la couche de nanoélectrode inférieure (15 nm Cr/ 45 nm Au) est définie sur un substrat de Si, qui estrecouvert d’un oxyde isolant à 500 nm. La couche denanoélectrode est formée en définissant des motifs dans unerésine bicouche (poly (méthacrylate de méthyle) / poly (2-acétamidoacrylate de méthyle), ou PMMA / PMAA) en utilisant lalithographie par faisceau d’électrons, suivie d’un dépôt demétal et d’un décollement. Les électrodes ont une largeur de300 nm et sont séparées par des espaces de 350 nm. Ensuite,des nanomatériaux à base de carbone sont déposés sur lesélectrodes par couplage ac-dc DEP. Pour cette étape, lesnanomatériaux sont suspendus et soniqués dans l’éthanol pourassurer l’homogénéité. La puce est ensuite immergée dans unréservoir contenant la suspension et un champ électriquecomposite AC-DC est appliqué avec un générateur de fonction

haute fréquence.

Après environ 100 s, la puce est retirée du réservoir etrincée dans de l’éthanol propre. Enfin, elle est soufflée àsec avec un pistolet à azote. Ce processus d’assemblage permetde réaliser des structures permettant d’étudier et decaractériser les propriétés électriques et mécaniques de cesnanomatériaux. Plus important encore, la capacité d’assemblerdes nanomatériaux disparates en utilisant la même techniquepermettrait leur intégration dans des nanostructures complexesdans la réalisation de NEMS intégré et d’autres nanosystèmes.

La nanomanipulation est une approche prometteuse pour lenanoassemblage complexe. Les techniques clés permettent lecontrôle de la position et de l’orientation des blocs deconstruction avec une résolution nanométrique combinée à leurconnexion. L’assemblage nanorobotique permet la constructionde structures plus complexes en prototype NEMS. Les jonctionsintermoléculaires et intramoléculaires à nanotubes sont deséléments de base pour de tels assemblages. Bien que certainstypes de jonctions aient été synthétisés avec des méthodeschimiques, rien n’indique pour l’instant qu’une approche baséesur l’auto-assemblage peut fournir des structures pluscomplexes.

Fig. 2 Approche de nanofabrication hybride pour la réalisationde nanosystèmes intégrés. (a) Conception de nanoarray. (b)nanosystème MWNT. Encarts: micrographie électronique à

balayage (MEB) schématique et à faible grossissement. (c)Assemblage direct de nanostructures sophistiquées. (d-f)Divers nanomatériaux tels que les DWNT, les NTC remplis de Cuet les nanocoils.

Dans la figure 3, nous montrons quelques exemples del’assemblage nanorobotique de jonctions CNT en mettantl’accent sur les méthodes de connexion. Des jonctions CNT ontété créées en utilisant les forces de van der Waals (figure3a), le dépôt induit par faisceau électronique (EBID) (figure3b), la liaison par mécanochimie (figure 3c) et le soudage parpoints à l’intérieur des nanotubes de carbone Fig. 3d). Lesjonctions CNT connectées par EBID donnent des jonctions plusfortes que celles connectées par les forces de van der Waals,comme le montrent les Fig. 3a et 3b.

Le développement de l’EBID classique a été limité par lefilament d’électrons coûteux utilisé et la faibleproductivité. Nous avons démontré un système parallèle EBIDutilisant des NTC comme émetteurs d’électrons. Pour construiredes jonctions plus fortes sans ajouter de matériausupplémentaire, l’assemblage mécanochimique nanochrome est unestratégie importante. Cette approche est basée sur desréactions chimiques en phase solide, ou mécanosynthèse, quiest définie comme une synthèse chimique contrôlée par dessystèmes mécaniques fonctionnant avec une précision àl’échelle atomique. La technique permet une sélection directede la position des sites de réaction3. En assemblant desatomes avec des liaisons pendantes plutôt que des atomesstables, il est plus facile de former des liaisons primaires,ce qui fournit une connexion simple mais forte. La fabricationdestructive fournit un moyen de former des liens pendants auxextrémités des tubes cassés. Certaines des liaisons pendantespeuvent alors se lier avec des atomes voisins, maisgénéralement quelques liaisons resteront réactives. Unnanotube avec des liens pendants à son extrémité se liera plusfacilement à un autre pour former des jonctions

intramoléculaires. La figure 3c montre une telle jonction.

Fig. 3 Jonctions CNT. (a) CNT connectés par des interactionsde van der Waals. (b) CNT rejoints par EBID. (c) NTC liés parune réaction mécanochimique. (d) CNT soudés en utilisant duCu.

EBID implique des faisceaux d’électrons de haute énergie et abesoin de précurseurs externes pour l’obtention de dépôtsconducteurs, ce qui limite ses applications. La liaisonmécanochimique est prometteuse, mais elle n’est pas encoremature. Récemment, nous avons développé une technique desoudage nanorobotique par points en utilisant des NTC remplisde Cu pour le soudage de nanotubes. La soudure est encapsuléeà l’intérieur des noyaux creux des NTC pendant leur synthèse,donc aucun précurseur externe n’est nécessaire. Un biais deseulement quelques volts peut induire la migration du Cu, cequi en fait une approche rentable. La figure 3d montre unejonction soudée en utilisant cette technique. La qualité de lasoudure est en partie déterminée par la capacité à contrôlerle débit massique du tube. Un dépôt de haute précision de 120ag / s a été réalisé dans notre expérience basée surl’électromigration. La manipulation nanorobotique en troisdimensions a ouvert une nouvelle voie pour le nanoassemblage.Cependant, la nanomanipulation est toujours réalisée de

manière sérielle avec un contrôle restreint, ce qui n’estcertainement pas une technique de production à grande échelle.Néanmoins, avec les progrès dans l’exploration de la physiquemésoscopique, un meilleur contrôle de la synthèse desmatériaux, des actionneurs plus précis, et des outilsefficaces de manipulation, nanoassemblage à grande vitesse,parallèle et automatique seront possibles.

Source : Carbon nanotubes for nanorobotics, Lixin Dong,ArunkumarSubramanian, Bradley J. Nelson, 2007.

Rayons Atomiques (Données)Le rayon atomique d’un élément chimique est la distance entrele centre du noyau et la couche la plus externe de l’électron.Puisque la frontière n’est pas une entité physique biendéfinie, il existe diverses définitions non équivalentes durayon atomique. Selon la définition, le terme peut s’appliquerseulement aux atomes isolés, ou aussi aux atomes dans lamatière condensée , liés de manière covalente dans lesmolécules , ou dans les états ionisés et excités ; et savaleur peut être obtenue par des mesures expérimentales oucalculées à partir de modèles théoriques. Sous certainesdéfinitions, la valeur du rayon peut dépendre de l’état et ducontexte de l’atome.

Les rayons atomiques varient d’une manière prévisible etexplicable à travers le tableau périodique . Par exemple, lesrayons diminuent généralement vers la droite le long de chaquepériode (rangée) de la table, des métaux alcalins aux gaznobles ; et augmentent pour chaque groupe (colonne). Le rayonaugmente brusquement entre le gaz noble à la fin de chaquepériode et le métal alcalin au début de la période suivante.

Ces tendances des rayons atomiques (et de diverses autrespropriétés chimiques et physiques des éléments) peuvent êtreexpliquées par la théorie de la couche d’ électrons del’atome; ils ont fourni des preuves importantes pour ledéveloppement et la confirmation de la théorie quantique .

Rayons atomiquesToutes les mesures données sont en picomètres (pm). Pour desdonnées plus récentes sur les rayons covalents.

numéroatomique

symbole prénom empirique † Calculévan derWaals

Covalent (liaisonsimple)

Covalent(tripleliaison)

Métallique

1 H hydrogène 25 53 120 38pas dedonnées

2 Il hélium 120 31 140 32pas dedonnées

3 Li lithium 145 167 182 134pas dedonnées

152

4 Être béryllium 105 112 153 a 90 85 112

5 B bore 85 87 192 a 82 73

6 C carbone 70 67 170 77 60

7 N azote 65 56 155 75 54

8 O oxygène 60 48 152 73 53

9 F fluor 50 42 147 71 53

dix Ne néon 160 38 154 69pas dedonnées

11 N / a sodium 180 190 227 154pas dedonnées

186

12 Mg magnésium 150 145 173 130 127 160

13 Al aluminium 125 118 184 a 118 111 143

14 Si silicium 110 111 210 111 102

15 P phosphore 100 98 180 106 94

16 S soufre 100 88 180 102 95

17 Cl chlore 100 79 175 99 93

18 Ar argon 71 71 188 97 96

19 K potassium 220 243 275 196pas dedonnées

227

20 Californie calcium 180 194 231 a 174 133 197

21 Sc scandium 160 184 211 a 144 114 162 b

22 Ti titane 140 176pas dedonnées

136 108 147

23 V vanadium 135 171pas dedonnées

125 106 134 b

numéroatomique

symbole prénom empirique † Calculévan derWaals

Covalent (liaisonsimple)

Covalent(tripleliaison)

Métallique

24 Cr chrome 140 166pas dedonnées

127 103 128 b

25 Mn manganèse 140 161pas dedonnées

139 103 127 b

26 Fe le fer 140 156pas dedonnées

125 102 126 b

27 Co cobalt 135 152pas dedonnées

126 96 125 b

28 Ni nickel 135 149 163 121 101 124 b

29 Cu cuivre 135 145 140 138 120 128 b

30 Zn zinc 135 142 139 131pas dedonnées 134 b

31 Géorgie gallium 130 136 187 126 121 135 c

32 Ge germanium 125 125 211 a 122 114

33 Comme arsenic 115 114 185 119 106

34 Se sélénium 115 103 190 116 107

35 Br brome 115 94 185 114 110

36 Kr kryptonpas dedonnées

88 202 110 108

37 Rb rubidium 235 265 303 a 211pas dedonnées

248

38 Sr strontium 200 219 249 a 192 139 215

39 Y yttrium 180 212pas dedonnées

162 124 180 b

40 Zr zirconium 155 206pas dedonnées

148 121 160

41 Nb niobium 145 198pas dedonnées

137 116 146 b

42 Mo molybdène 145 190pas dedonnées

145 113 139 b

43 Tc technétium 135 183pas dedonnées

156 110 136 b

44 Ru ruthénium 130 178pas dedonnées

126 103 134 b

45 Rh rhodium 135 173pas dedonnées

135 106 134 b

46 Pd palladium 140 169 163 131 112 137 b

47 Ag argent 160 165 172 153 137 144 b

48 CD cadmium 155 161 158 148pas dedonnées 151 b

49 Dans indium 155 156 193 144 146 167

50 Sn étain 145 145 217 141 132

51 Sb antimoine 145 133 206 a 138 127

52 Te tellure 140 123 206 135 121

53 je iode 140 115 198 133 125

54 Xe xénonpas dedonnées

108 216 130 122

numéroatomique

symbole prénom empirique † Calculévan derWaals

Covalent (liaisonsimple)

Covalent(tripleliaison)

Métallique

55 Cs césium 260 298 343 a 225pas dedonnées

265

56 Ba baryum 215 253 268 a 198 149 222

57 La lanthane 195pas dedonnées

pas dedonnées

169 139 187 b

58 Ce cérium 185pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 131 181,8 c

59 Pr praséodyme 185 247pas dedonnées

pas de données 128 182,4 c

60 Nd néodyme 185 206pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 181,4 c

61 Pm prométhium 185 205pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 183,4 c

62 Sm samarium 185 238pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 180,4 c

63 UE europium 185 231pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 180,4 c

64 Gd gadolinium 180 233pas dedonnées

pas de données 132 180,4 c

65 Tb terbium 175 225pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 177,3 c

66 Dy dysprosium 175 228pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 178,1 c

67 Ho holmium 175pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 176,2 c

68 Er erbium 175 226pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 176,1 c

69 Tm thulium 175 222pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 175,9 c

70 Yb ytterbium 175 222pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 176 c

71 Lu lutécium 175 217pas dedonnées

160 131 173,8 c

72 Hf hafnium 155 208pas dedonnées

150 122 159

73 Ta tantale 145 200pas dedonnées

138 119 146 b

74 W tungstène 135 193pas dedonnées

146 115 139 b

75 Ré rhénium 135 188pas dedonnées

159 110 137 b

76 Os osmium 130 185pas dedonnées

128 109 135 b

77 Ir iridium 135 180pas dedonnées

137 107 135.5 b

78 Pt platine 135 177 175 128 110 138.5 b

79 Au or 135 174 166 144 123 144 b

80 Hg Mercure 150 171 155 149pas dedonnées 151 b

numéroatomique

symbole prénom empirique † Calculévan derWaals

Covalent (liaisonsimple)

Covalent(tripleliaison)

Métallique

81 Tl thallium 190 156 196 148 150 170

82 Pb conduire 180 154 202 147 137

83 Bi bismuth 160 143 207 a 146 135

84 Po polonium 190 135 197 a pas de données 129

85 À astatinepas dedonnées

pas dedonnées 202 a pas de données 138

86 Rn radonpas dedonnées

120 220 a 145 133

87 Fr franciumpas dedonnées

pas dedonnées 348 a pas de données

pas dedonnées

pas dedonnées

88 Ra radium 215pas dedonnées 283 a pas de données 159

pas dedonnées

89 Ac actinium 195pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 140

90 Th thorium 180pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 136 179 b

91 Pennsylvanie protactinium 180pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 129 163 d

92 U uranium 175pas dedonnées

186 pas de données 118 156 e

93 Np neptunium 175pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 116 155 e

94 Pu plutonium 175pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 159 e

95 Un m l’américium 175pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 173 b

96 Cm curiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 174 b

97 Bk berkeliumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées 170 b

98 Cf californiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

186 +/-

2 b

99 Es Einsteiniumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

186 +/-

2 b

100 Fm fermiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

101 Maryland mendeleviumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

102 Non nobeliumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

103 Lr lawrenciumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

104 Rf rutherfordiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 131pas dedonnées

105 Db dubniumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 126pas dedonnées

106 Sg seaborgiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 121pas dedonnées

numéroatomique

symbole prénom empirique † Calculévan derWaals

Covalent (liaisonsimple)

Covalent(tripleliaison)

Métallique

107 Bh bohriumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 119pas dedonnées

108 Hs hassiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 118pas dedonnées

109 Mt meitneriumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 113pas dedonnées

110 Ds darmstadtiumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 112pas dedonnées

111 Rg Roentgeniumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 118pas dedonnées

112 Cn coperniciumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de données 130pas dedonnées

113 Nh nihoniumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

114 Fl fleroviumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

115 Mc Moscoviumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

116 Lv livermoriumpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

117 Ts tennessinepas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées

118 Og oganessonpas dedonnées

pas dedonnées

pas dedonnées

pas de donnéespas dedonnées

pas dedonnées