Ultrafiltration de nanoparticules
- Purification et production de nanoparticules
- Techniques d'ultrafiltration pour la séparation, la purification et la concentration de nanoparticules
- Sélection d'une membrane pour les applications sur les nanoparticules
- Conclusions
- Produits apparentés
- Références bibliographiques
Purification et production de nanoparticules
Les particules de taille nanométrique (NP pour "nano-sized particles") sont devenues des systèmes importants pour la bio-imagerie, la biodétection, l'administration ciblée de médicaments, et la libération contrôlée d'agents thérapeutiques. Pour fabriquer des nanoparticules, il est crucial de pouvoir préparer et recueillir efficacement les nanoparticules. L'ultrafiltration (UF) est couramment employée pour préparer et purifier les nanoparticules après leur synthèse (Figure 1)1. À l'origine, la filtration se faisait sur des dispositifs d'ultrafiltration sous pression (pUF). L'arrivée des techniques d'ultrafiltration par centrifugation (cUF) a permis de travailler sur de plus petits volumes lors de la préparation et de la purification des nanoparticules.
Figure 1.Applications de l'ultrafiltration dans la préparation et la purification des nanoparticules.
Les nanoparticules peuvent être fabriquées à partir de matières organiques ou inorganiques, de polymères et de métaux. Une telle fonctionnalisation de surface confère des biofonctions spécifiques et améliore la biocompatibilité pour les applications biologiques2. Les nanoparticules magnétiques, les points quantiques, les nanoparticules métalliques, les nanoparticules de silice et les nanoparticules polymères revêtent une importance particulière pour les applications biomédicales3. Bon nombre de nanoparticules ne peuvent être utilisées directement après leur fabrication. Les formulations à matrice aqueuse peuvent contenir du médicament non lié qui doit être éliminé. Il peut être nécessaire de séparer certains produits chimiques, biomolécules et autres contaminants présents dans les lysats, les fluides corporels, le sérum, les tampons, les milieux et autres réactifs. Certains de ces composés sont nocifs pour leur environnement biologique3. Il est donc crucial de disposer de méthodes fiables pour concentrer, enrichir, laver et purifier les nanoparticules.
Techniques d'ultrafiltration pour la séparation, la purification et la concentration de nanoparticules
Les dispositifs d'ultrafiltration par centrifugation peuvent être utilisés pour purifier, laver et concentrer les nanoparticules en fonction de leur taille. Les unités d'ultrafiltration par centrifugation Amicon® Ultra et Centricon® Plus, de même que le système de purification Amicon® Pro qui permet de laver et de concentrer dans le même temps, peuvent servir aux applications suivantes :
- Séparation et purification de nanoparticules
- Concentration de nanoparticules
- Enrichissement en nanoparticules
- Dessalage
- Échange de tampon
- Lavage, post-fonctionnalisation
- Déplétion des protéines abondantes
Pour l'ultrafiltration sous pression (pUF) de plus grands volumes d'échantillons, il est possible de combiner les cellules à agitation Amicon® avec une membrane disque de filtration Ultracel®. Les cellules à agitation Amicon® constituent une méthode d'ultrafiltration douce.
Après la filtration primaire, les nanoparticules peuvent être centrifugées pour procéder à un lavage et échanger le tampon, ou bien reconcentrées. Les solutés retenus ou traversants peuvent être recueillis et analysés afin de déterminer la pureté des nanoparticules, l'efficacité d'encapsulation, la fixation et la concentration en médicament.
Sélection d'une membrane pour les applications sur les nanoparticules
La séparation et la concentration des molécules durant l'ultrafiltration repose sur le principe de l'exclusion stérique. La grande majorité des biomolécules possède un poids moléculaire inférieur à 500 000 Da, tout comme les nanoparticules. Les unités d'ultrafiltration par centrifugation Amicon® Ultra, les unités d'ultrafiltration par centrifugation Centricon® Plus pour grands volumes, et les systèmes de purification Amicon® Pro pour le lavage et la concentration simultanés, présentent un poids moléculaire nominal limite (PMNL, ou NMWL en anglais) qui est défini par leur membrane filtrante, et qui indique la granulométrie au-delà de laquelle > 90 % des particules sont retenues. Les membranes de ces systèmes de filtration sont proposés avec des PMNL de 3 000, 10 000, 30 000, 50 000 et 100 000 Da. Choisir une membrane de dimension de pores adaptée à une taille de nanoparticules et une application données peut être déroutant, comme le montre une étude réalisée sur des publications (Figure 2).
Figure 2.Comparaison de la dimension des pores des membranes utilisées dans les publications en fonction du type de nanoparticules. La dimension de pores de la membrane doit être choisie en fonction de la taille des nanoparticules et de l'application (purification à partir d'un échantillon complexe, concentration, échange de tampon ou dessalage par exemple).
Facteurs à prendre en compte lors de la sélection d'une méthode d'ultrafiltration et de la dimension de pores de la membrane :
- Taille des nanoparticules : la taille peut être estimée à partir de publications, ou par des techniques de mesure telles que la microscopie, la diffraction laser ou la diffusion dynamique de la lumière.
- Taille des principaux composés à séparer dans la solution : la taille des protéines, anticorps, médicaments, composés chimiques et autres particules qui doivent être séparés affecte le choix de la taille de la membrane.
- Volume de l'échantillon : les dispositifs d'ultrafiltration (cUF) peuvent traiter des volumes allant de ≤ 0,5 mL à 70 mL. Il peut être pertinent de traiter les plus gros volumes avec des dispositifs d'ultrafiltration sous pression (pUF).
Pour retenir une nanoparticule, le seuil de poids moléculaire de la membrane filtrante doit être inférieur à la taille de la nanoparticule (~ 2 fois plus petit que le poids moléculaire de la nanoparticule), mais suffisamment grand pour laisser passer les éléments plus petits.
Conclusions
L'ultrafiltration par centrifugation (cUF) et l'ultrafiltration sous pression (pUF) jouent un rôle important dans la préparation et la purification des nanoparticules. Parmi les applications de l'ultrafiltration des nanoparticules, on peut citer la séparation, la concentration, l'échange de tampon, le suivi de médicament, et l'élimination des colorants, enzymes et composants non liés présents dans les préparations de nanoparticules. De nombreuses publications mentionnent l'utilité des dispositifs d'ultrafiltration par centrifugation Amicon® et Centricon® et des cellules à agitation Amicon® pour l'ultrafiltration sous pression dans le cadre de la purification et de la concentration de nanoparticules et de composés macromoléculaires. Comme les impuretés peuvent être ioniques, moléculaires ou particulaires, choisir le filtre optimal peut réellement faire la différence en termes de rendement, de reproductibilité des résultats, et de qualité du filtrat. Les unités de filtration Amicon® et Centricon® contiennent un filtre membrane en cellulose régénérée Ultracel®, dont la structure complexe élimine les impuretés susceptibles d'affecter les dosages biologiques et chimiques, l'analyse en aval et les performances des tests qui revêtent un caractère critique. Les techniques d'ultrafiltration assurent les étapes de séparation, de nettoyage et d'enrichissement pour les préparations de nanoparticules à l'échelle du laboratoire. Les procédés d'ultrafiltration par centrifugation (cUF) et d'ultrafiltration sous pression (pUF) constituent un moyen rapide, simple et efficace de séparer les nanomatériaux des constituants plus petits et du fluide passant dans le filtrat. La composition physique, la taille et la forme sont des attributs importants qu'il convient de prendre en compte lors du choix du filtre. La gamme Amicon®offre tout un éventail de dispositifs à membrane d'ultrafiltration pour la purification et la production de nanoparticules.
Références bibliographiques
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