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Étude expérimentale de l’effet du flux hydrodynamique sur la conformation de protéines adsorbées sur des nanoparticules.
Experimental study of the effect of the hydrodynamic flux on the adsorption of proteins at the surface of nanoparticles

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28/02/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOBEAUX Frederic
+33 1 69 08 55 21

Résumé/Summary
Lors de l’introduction de nanoparticules dans un milieu biologique, il se forme une couche de protéines adsorbées à leur surface, ce qui a pour effet de leur donner une nouvelle identité biologique qui définira leur bioactivité. L’objectif de ce projet est d’étudier l’effet du flux hydrodynamique sur cette couche de protéines et la stabilité des nanoparticules.
Upon introduction of nanoparticles in a biological medium, proteins adsorb on their surface, giving them a new biological identity that will define their bioactivity. The aim of this project is to study the effect of the hydrodynamic flow on this protein layer and on the nanoparticle stability.
Sujet détaillé/Full description
La compréhension du devenir des nanoparticules dans les milieux biologiques est cruciale pour leur utilisation dans le cadre d’applications biomédicales. Nous savons qu’après l’injection de nanoparticules in vivo, les protéines en circulation s’adsorbent à leur surface et créent une couche appelée « couronne de protéines » qui confère au nanoparticules une nouvelle identité. Cette couronne va donc dicter la biodistribution, la pharmacocinétique, l’efficacité thérapeutique et la potentielle toxicité des nanoparticules. Tandis que l’étude de la structure, de la composition et de la dynamique de formation de cette couronne de protéines a déjà motivé de nombreuses recherches, nous en savons encore peu sur les effets du flux hydrodynamique alors qu’il s’agit d’une caractéristique crucial du milieu sanguin par exemple.
Nous proposons donc de déveloper une méthodologie pour apprécier le rôle du flux et du cisaillement sur le couple nanoparticules/protéines en combinant différentes techniques analytiques. En effet, nous nous intéresserons aussi bien à la stabilité et à l’integrité des nanoparticles (à l’aide de méthodes de diffusion, de le microscopie électronique) qu’aux changements de conformations subis par les protéines (à l’aide de méthodes spectroscopiques). Quand cela sera possible, les caractérisations auront lieu in situ.
Ce projet sera mené en collaboration avec Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). Il est financé par le LabEx NanoSaclay.
Understanding the future of nanoparticles in biological media in of utmost importance for their potential use in biomedical applications. It is known that after in vivo administration of nanoparticles, their surface is rapidly covered by adsorbed proteins forming a so-called “corona” that strongly affects their biodistribution, pharmacokinetic, therapeutic efficacy and potential toxicity.1 While the structure and composition of this “protein corona” has already prompted a lot of research, the role of the hydrodynamic flow on the nanoparticle evolution in the presence of proteins (protein adsorption, nanoparticle aggregation or dissolution etc…) has so far received little attention although it is a key feature of blood medium.2
By combining different analytical techniques, we thus propose to develop a methodology to appreciate the effect of flow and shearing on the nanoparticles/proteins pair. Indeed, we will investigate the stability and integrity of the nanoparticles (scattering methods, cryo-TEM) as well as the conformational changes of the proteins (spectroscopic methods). When possible, these analyses will be performed in situ.
This project is carried out in collaboration with Simona Mura (Institut Galien, Faculté de Pharmacie de Chatenay Malabry and Frank Wien (Synchrotron Soleil). It is supported by the LabEx NanoSaclay.
Mots clés/Keywords
physico-chimie, biophysique, nanoscience
physical-chemistry, biophysics, nanoscience
Compétences/Skills
Dichroïsme circulaire, fluorescence, diffusion des rayons X/neutrons aux petits angles
Circular dichroism, fluorescence spectroscopy, small angle x-ray/neutron scattering
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Nanogouttes minérales: étude d'impact pour la séparation de terres rares
Mineral nanodroplets: impact study for rare-earth separation

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CARRIERE David
+33 1 69 08 54 89

Résumé/Summary
Nous avons découvert un mécanisme de précipitation exotique intervenant dans certains procédés de recyclage de terres rares. L'objectif de ce stage est d'en évaluer l'imapact sur les procédés existants, et son intérêt pour de nouvelles approches.
We have unveiled an exotic precipitation mechanism involved in some recycling processes of rare-earth elements. The goal of the internship is to evaluate its impact on existing processes, and its potential for new approaches.
Sujet détaillé/Full description
Notre «économie verte» (photovoltaïque, batteries au lithium) repose en grande partie sur les terres rares (TR); mais leur extraction soulève de lourdes préoccupations écologiques et leur recyclage reste rare. Tout progrès dans les processus de séparation et de précipitation profitera à l'équilibre environnemental mondial.

Dans ce contexte, nous avons mis en évidence la formation spontanée de «nanogouttelettes minérales» lors de la coprécipitation d'ions cérium par l'acide oxalique dans l'eau, étape clé dans certains processus de récupération des TR. Les nanogouttelettes minérales sont constituées d'un liquide riche en réactif qui se transforme en cristaux d'oxalate de cérium après plusieurs dizaines de secondes. Cette nanophase récemment dévouverte au laboratoire reste ignorée dans les processus actuels de séparation et de récupération.

L'objectif de ce stage est d'évaluer l'impact des nanogouttelettes minérales sur les processus existants, et d'explorer son potentiel pour des voies alternatives: i) évaluer leur sensibilité aux paramètres physico-chimiques pertinents pour les applications, ii) confrimer / infirmer leur existence dans un contexte plus large une variété de terres rares, et iii) évaluer leur mouillage avec des surfaces d'hydrophobicité et de tailles de pores variables (nm-µm).
Our “green economy” (photovoltaics, lithium batteries) largely relies on the rare-earth (RE) elements; but their extraction raises heavy ecological concerns, and their recycling is scarce. Any progress in the separation and precipitation processes will benefit the global environmental balance.

In this context, we evidenced the spontaneous formation of “mineral nanodroplets” during the co-precipitation of cerium ions by oxalic acid in water, a key step in some recovery process of RE. The mineral nanodroplets consist in a reactant-rich liquid that convert into the cerium oxalate crystals after several tens of seconds. This newly reported nanophase is ignored in the current separation and recovery processes.

The aim of this internship is to evaluate the impact of the mineral nanodroplets on existing processes, and explore its potential for alternative routes: i) assess their sensitivity towards physico-chemical parameters relevant to applications, ii) prove / disprove their existence in a broader variety of rare-earths, and iii) assess their wetting with surfaces of varying hydrophobicity and pore sizes (nm-µm).
Mots clés/Keywords
Séparation des terres rares, co-précipitation, nucléation non-classique, diffusion des rayons X, cro-microscopie, luminescence
Rare-earth separation, co-precipitation, non-classical nucleation, X-ray scattering, cryo-microscopy, luminescence
Compétences/Skills
Chimie des solutions, cryo-microscopie en transmission, spectroscopie de luminescence, diffusion des rayons X en laboratoire et synchrotron
Solution chemistry, cryo-electron transmission microscopy, luminescence spectroscopy, small-angle X-ray scattering in lab and synchrotron
Logiciels
Python

 

 

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