L atelier Nano scool Pierre Yves Clément et Mehdi MEVEL

L’atelier Nano@scool Pierre Yves Clément et Mehdi MEVEL Sous l’encadrement de Joel Chevrier Année 2012 -2013 Nano@school est un dispositif innovant qui vise à faire découvrir le monde de la Recherche fondamentale et de la Recherche appliquée sur les nanotechnologies, par la formation et l’expérimentation au sein de MINATEC, 1 er campus européen dédié aux micro et nanotechnologies. Nano@school s’adresse par des moyens adaptés à différents publics de l’enseignement secondaires, collèges et lycées, ainsi qu’aux enseignants des établissements du secondaire. Nano@school propose des ateliers de découverte ou les lycéens peuvent manipuler des appareils techniques adaptés. Ces ateliers traitent du monde nano et donc forcement de microscopie. Les lycéens expérimentent la microscopie optique, la microscopie à force atomique, le microscope électronique à balayage ou encore le microscope à effet tunnel Des concepts tels que le mouvement brownien, les interactions électromagnétiques sont abordés simplement pour expliquer quelques unes des lois physiques invisibles qui influe sur le monde qui nous entoure. Dans ce cadre l’atelier nano@school cherches de nouvelles thématiques. Deux types de travail sont possibles, soit l’étude bibliographique sur un nouveau sujet soit le développement d’un nouvel atelier. La deuxième proposition est bien sur la plus intéressante mais aussi la plus prenante. Dans notre cas, par manque de temps, c’est l’étude bibliographique qui à été choisie, avec les 2 sujets présenté ce dessous. Le site web www. toutestquantique. fr a pour objectif de vulgariser la mécanique quantique à travers ses concepts les plus connus (quantification, dualité, effet tunnel, spin, …) via des animations simples. Ce site est un excellent support pour aider les élèves de terminale à comprendre ces notions. Cependant, il n’est pas complet. Il manque un certain nombres d’élements quantitatifs, d’illustrations de systèmes réels pour rendre ce domaine de laphysique plus concret et donc plus accessible au étudiants. Je me suis intéressé à deux aspects traités sur le site web : l’effet tunnel et le spin électronique. L’effet Tunnel La nanomédecine est un domaine en pleine expansion. Source de nombreuses erreurs, incompréhensions ou peurs de la part du grand public, mon objectif était de faire une étude bibliographique sur le sujet et d’en tirer un résumé simple et accessible au plus grand nombre. De nombreuses recherches sont réalisés sur le sujet, et plusieurs techniques mettant en œuvre des nonotechnologies sont d’ores et déjà utilisés en médecine. Je me suis donc principalement intéressé à ces techniques. Le Spin électronique La nanomédecine Le but ici n’est pas de réexpliquer cette notion de la mécanique quantique ni de revenir sur les expériences qui ont mis en évidence sa quantification, mais plutôt de montrer comment il peut être mis à profit dans des systèmes magnétiques. Au laboratoire Spintec du CEA de Grenoble, nous sommes spécialisés dans l’étude du transport dépendant du spin. Nous avons donc voulu montrer de quelle manière l’information « spin » pouvait être utilisée dans des systèmes de recherche voire industriels en donnant des exemples de dispositifs réels, des ordres de grandeurs en montrant les instruments de nanofabrication et de caractérisation des échantillons. Dans un premier temps il est souvent nécessaire de rappeler de quelle échelle de dimension parle-t-on lorsqu’on parle de manomédecine. Le schéma ci-dessous permet de bien comprendre que la nanomédecine et un complément dans l’offre médicale classique. En effet l’approche classique permet de travailler à l’échelle macroscopique mais aussi à l’échelle atomique et moléculaire avec les médicaments. La nanomédecine viens juste compléter la gamme des traitements possibles en permettant à la médecine d’agir directement au niveau cellulaire et subcellulaire. Ta (7) Il s’agit dans un premier temps d’introduire le phénomène au étudiants, de leur montrer qu’il ne peut en rien être comparé avec ce q’uils ont déjà vu jusque là en mécanique classique. Il faut aussi introduire les unités adéquates au nano-mondeen montrant que les unités traditionnelles ne sont plus adaptées Fe. Mn (12) Co. Fe (2) Mg. O (1) Co. Fe (2) Ru (0. 6) Co. Fe (2) Pt. Mn (20) (f) Cu. N (30) En imagerie par résonnance magnétique ou IRM, on utilise également des produit de contraste paramagnétiques et les agents de contraste superparamagnétiques. L’agent traditionnellement utilisé est le gadolinium. Pour rendre le gadolinium biocompatible, on utilise un core shell. La particule métallique est entourée par un coquille de silice, ce qui la rend transparente pour le système de défense immunitaire. La scintigraphie est une technique qui consiste à introduire un élément radioactif dans le corps et à détecter les rayonnement émis par cet élément. On utilise une molécule vecteur, c’est-à-dire un composé qui va se diriger préférentiellement vers un organe donné, associée à l’élément radioactif. En détectant le rayonnement émis par la particule radioactive, il est possible de reconstruire une image 3 D de l’orage visé. La thérapie Le domaine des nanomédecine et très large. Nous pouvons citer : L’adressage ou délivrance spécifique de molécules thérapeutiques vers un organe, un tissu ou une cellule malade est aujourd’hui un objectif majeur pour le traitement des maladies humaines. Les enseignants du secondaire ont besoin montrer facilement le comportement de la fonction d’onde d’un électron au travers d’un cas simple : la barrière carrée. J’ai donc utilisé une interface graphique dans ce but grâce à laquelle il est possible de faire varier les différents paramètres du problème (largeur et hauteur de la barrière, énergie de l’électron incident). Enfin pour apporter une vision concrète du monde la mécanique quantique, j’ai présenté la bâti ultra haut vide du LPSE, son STM ainsi que les images qu’il était possible d’obtenir grâce à de tels instruments Les applications biomédicales Le développement des nanotechnologies permet aujourd’hui de proposer l’idée de «vectorisation» des médicaments. La thérapie : est le traitement de la maladie. Voici par exemple le cas de jonctions tunnel magnétiques élaborées à Spintec. L’empilement initial (f), les instruments de nano-fabrication ((a) et (b)) des images optiques (di) et par microscopie électronique à balayage (ei) Le diagnostique : permet d’identifier une maladie grâce au symptôme d’une maladie. L’utilisation de vecteurs doit permettre de protéger la molécule active de la dégradation et d’en contrôler la libération dans le temps et dans l’espace. Quelques types de vecteurs : La médecine régénérative : vise au développement de la régénération de tissu ou organe du corps humain. Les capteurs : ensemble d’interfaces détectant, sous la forme d’un signal électrique, un phénomène physique afin de le représenter et d’acquérir des données sur ce dernier. Le travail effectué lors de cet atelier s’est focalisé sur le diagnostique et sur la thérapie. Le diagnostique L’imagerie médicale est aujourd’hui à la base du diagnostique pour de nombreuses maladies. Elle permet de voir tumeurs, calculs, factures… D’autres thématiques sont développées au laboratoire comme les applications biomédicales. On fabrique par exemple des nano -nageurs ou des nano-pinces imagées ici avec un microscope électronique à balayage. Le but est de délivrer des médicaments dans des zones très localisées du corps humain. Le liposome est une vésicule biodégradable constituée d’une double couche de phospholipides et d’un compartiment aqueux. Le principe actif du médicament est encapsulé dans la phase aqueuse quand il est hydrophile, et dans la bicouche quand il est lipophile. La structure phospholipidique du liposome est proche de celle de la membrane de la cellule : on dit que le liposome est biomimétique. Un liposome est environ 70 fois plus petit qu’un globule rouge. Sa taille varie entre 100 et 300 nm. Il existe différentes techniques pour des observations différentes Les liposomes de première génération : ces liposomes sont en fonction de ce qu’on veut observer, par exemple un organe, composés d'une membrane lipidique et sont absorbés par le un muscle, des vaisseaux ou autre. Selon ces techniques un foie. Etant un corp étranger, il va produire un phénomène immunitaire appelé opsonisation, le corps va "signer" cette produit de contraste doit être utilisé. particule étrangère avec une molécule : "l'opsonine". De ce L’imagerie par rayon X utilise des nano composés appelé fait, ces particules vont être reconnues et filtrées pas les produit ou agent de contraste. Ces produits permettent macrophages du foie où elles pourront soigner différentes d’augmenter le contraste et ainsi observer un organe ou un pathologies, dont le cancer du foie. tissu qui naturellement serait impossible à différentier du tissu Les liposomes de deuxième génération : afin d'éviter le voisin. Les produits de contraste sont différents en fonction du phénomène d'opsonisation, une pellicule composée de type d’imagerie réalisée. polymères hydrophiles, plus précisément du polyéthilène Pour l’imagerie par rayon X on glycol est déposée sur les liposomes. Les cellules utilise un produit de contraste cancéreuses ont la particularité d'absorber très facilement les sensible aux rayons X, tel que polymères. Ainsi ces liposomes de deuxième génération sont l’iode. absorbés par des cellules cancéreuses situées dans des organes autres que le foie. . Les techniques de radiographie ou Les liposomes de troisième génération: Ces nanovecteurs sont de coronarographie utilise ce type capables de cibler des cellules spécifiques , il s'agit en fait de de composé à l’état nanométrique. nanovecteurs de deuxième génération auxquels on ajoute une Une image par tomodensitométrie pellicule de molécules spécifiques afin que ce liposome soit aussi appelé scanner est visible ci capable de reconnaitre des marqueurs de la cellule contre. pathologique.