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La synthèse automatisée des nanoparticules
Automated synthesis of nanoparticles

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2024

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Levenstein Mark
+33 1 69 08 57 34

Résumé/Summary
Ce stage se concentre sur l'avancement de la synthèse des nanoparticules grâce à une surveillance en temps réel utilisant la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS). L'objectif est d'établir un système de contrôle précis des propriétés des nanoparticules en créant une configuration de synthèse automatisée avec une boucle de rétroaction entre les mesures de SAXS et les paramètres de synthèse. Le stagiaire travaillera sur la synthèse de nanoparticules modèles (SiO2) avec une précision sub-nanométrique, analysera les motifs de SAXS, comprendra l'impact des paramètres opérationnels sur les taux de nucléation et d'agrégation, et construira finalement une boucle de contrôle de rétroaction pour produire des nanoparticules de tailles prédéterminées.
This internship focuses on advancing nanoparticle synthesis through real-time monitoring using in situ small-angle X-ray scattering (SAXS). The goal is to establish a precise control system for nanoparticle properties by creating an automated synthesis setup with a feedback loop between SAXS measurements and synthesis parameters. The intern will work on synthesizing model nanoparticles (SiO2) with sub-nanometer accuracy, analyzing SAXS patterns, understanding the impact of operational parameters on nucleation and aggregation rates, and ultimately building a feedback control loop for producing nanoparticles with predetermined sizes.
Sujet détaillé/Full description
En raison de la réduction de taille, les nanoparticules présentent des propriétés exceptionnelles adaptées à une large gamme d'applications telles que l'optique, la production et le stockage d'énergie, et la médecine, pour n'en nommer que quelques-unes. Ces applications nécessitent souvent un contrôle très précis de la taille, de la structure et de l'état d'agrégation des nanoparticules. Actuellement, ce contrôle est approximatif et repose essentiellement sur des approches d'essais et d'erreurs.

Dans ce contexte, nous développons une approche où la synthèse des nanoparticules en solution est surveillée en temps réel par diffraction des rayons X aux petits angles (SAXS) in situ. L'objectif à long terme est de dicter précisément les propriétés des nanoparticules finales en mettant en place une synthèse automatisée avec une boucle de rétroaction entre la taille, le nombre et l'état d'agrégation des nanoparticules mesurés par SAXS et les paramètres opérationnels de la synthèse (par exemple, injection de réactif, pH, température).

L'objectif de ce stage est de construire et de valider la configuration en synthétisant des nanoparticules modèles (SiO2), avec une précision sub-nanométrique sur la taille et sans agrégation. Il consistera à 1) synthétiser des nanoparticules de SiO2 en solution, 2) compléter la comparaison en temps réel des motifs de SAXS avec des modèles physiques, 3) comprendre la dépendance des taux de nucléation, de croissance et d'agrégation par l'utilisation ou l'amélioration des théories actuelles, et 4) utiliser cette compréhension fondamentale pour construire la boucle de contrôle de rétroaction et produire des nanoparticules de taille prédéterminée.
Owing to size reduction, nanoparticles have outstanding properties suitable for a broad range of applications, like optics, energy production and storage, and medicine to name a few. Such applications often require very precise control over the size, structure, and aggregation state of the nanoparticles. But currently, this control is only approximate and essentially relies on trial-and-error approaches.

In this context, we are developing an approach where the synthesis of nanoparticles in solution is monitored in real time by in situ small-angle X-ray scattering (SAXS). The long-term objective is to precisely dictate the properties of the final nanoparticles by making an automated synthesis set-up, with a feedback loop between the size, number, and aggregation state of the nanoparticles as measured by SAXS and the operational parameters of the synthesis (e.g., injection of reactant, pH, temperature).

The aim of this internship is to build and validate the setup by synthesizing model nanoparticles (SiO2), with sub-nanometer accuracy on the size, and no aggregation. It will consist in 1) solution-based synthesis of SiO2 nanoparticles, 2) completing the real-time comparison of SAXS patterns with physical models, 3) understanding the dependency of the rates of nucleation, growth, and aggregation on operational parameters by using or improving current theories, and 4) using this fundamental understanding to build the feedback control loop and produce nanoparticles with pre-determined size.
Mots clés/Keywords
Nanoparticules, diffusion des rayons X, théories de nucléation/croissance, systèmes de contrôle
Nanoparticles, X-ray scattering, nucleation / growth theories, control systems
Compétences/Skills
Chimie en solution, diffusion des rayons X aux petits angles, codage Python, théories de nucléation/croissance, microscopie électronique en transmission, apprentissage machine.
Solution chemistry, small-angle X-ray scattering, Python coding, nucleation/growth theories, transmission electron microscopy, machine learning.
Logiciels
Python, Excel, pySAXS
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Obtention de nanoparticules hybrides à base de vésicules extracellulaires en microfluidique pour la thérapie des maladies cardiaques
Obtaining hybrid nanoparticles based on extracellular vesicles in microfluidics for heart disease therapy

Spécialité

Chimie-physique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03/04/2024

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOBEAUX Frederic
+33 1 69 08 24 74

Résumé/Summary
L’objectif de ce projet de Master 2 est de développer une approche microfluidique pour modifier en surface des vésicules extracellulaires, afin de les rendre stables et non immunogènes lors de leur administration in vivo.
The aim of this Master 2 project is to develop a microfluidic approach to surface modification of extracellular vesicles, to make them stable and non-immunogenic when administered in vivo.
Sujet détaillé/Full description
Après une ischémie cardiaque, le myocarde endommagé peut entrainer une insuffisance cardiaque. Depuis quelques années, il a été démontré dans des modèles précliniques(1), le rôle protecteur des vésicules extracellulaires (VEs) dans les maladies ischémiques cardiaques. Les VEs, produites de manière naturelle par toutes les cellules, sont des particules de très petite taille (∼40-160nm) formées d’une membrane plasmique et contenant des acides nucléiques et protéines(2). Mais des limitations à leur application en thérapie cardiaque existent, celles-ci étant liées d’une part aux quantités limitées de VEs dues aux rendements d’isolement insuffisants et, d’autre part, à la lourdeur des méthodes de production et d’isolement conventionnelles de VEs (à l’échelle micrométrique) telle que l’ultracentrifugation. La microfluidique a démontré son intérêt pour synthétiser de nanoparticules (NPs) monodisperses par nanoprécipitation(3), mais aussi pour fabriquer des nanovecteurs de médicaments plus complexes telles que des NPs Janus(4,5). Cette stratégie sera adaptée à notre projet
pour réaliser, par un contrôle fin de l’épaisseur, la densité, l'homogénéité et la reproductibilité du procédé, un revêtement de surface des VEs leur conférant des propriétés intéressantes pour une application thérapeutique.

L’objectif de ce projet de Master 2 est de développer une approche microfluidique pour modifier en surface des EVs, afin de les rendre stables et non immunogènes lors de leur administration in vivo.
Pour ceci l’étudiant(e)aura comme misions de :
- Obtenir les VEs à partir de cellules en culture, les purifier (à l’aide de kits dédiés) et les caractériser (par Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, CryoTEM, …).
- Optimiser les paramètres d’utilisation de puces microfluidiques et/ou de mélangeurs millifluidiques afin d’obtenir des VEs enrobées dans une couche soit de polymères, soit de lipides éventuellement modifiés (déjà synthétisés).
- Caractériser de manière approfondie les VEs post-enrobage (taille, expression des protéines du cargo, stabilité etc.) par des méthodes déjà disponibles à l’IGPS.

Contexte du stage : Le stage bénéficie d’un financement de l’objet interdisciplinaire HEALTHI de l’Université Paris Saclay. Les travaux se dérouleront sur deux sites : à l’Institut Galien Paris Saclay (IGPS), UMR CNRS 8612, dans le bâtiment de recherche Henri Moissan (17 avenue des Sciences, 91 400 Orsay) pour les travaux sur la production d’VEs et leurs caractérisations ainsi que sur le site du CEA- Saclay (LIONS – NIMBE UMR 3685 CEA/CNRS) pour les travaux en microfluidique. L’étudiant(e) bénéficiera de l’accès à des appareils de pointe situés sur les deux sites, mais aussi à des équipements des plateformes de l’IPSIT (Ingénierie et Plateformes au Service de l’Innovation Thérapeutique).
Des réunions hebdomadaires seront organisées afin d’évaluer l’avancement des travaux. De plus, des présentations orales devant les équipes auront lieu au cours et à la fin du stage.

Contacts : Adresser CV, lettre de motivation à :
Prof. Myriam Taverna : myriam.taverna@universite-paris-saclay.fr et Dr. Frederic Gobeaux :
Frederic.GOBEAUX@cea.fr

Références
(1) Khan K. et al., Extracellular Vesicles as a Cell-free Therapy for Cardiac Repair: a Systematic Review and
Meta-analysis of Randomized Controlled Preclinical Trials in Animal Myocardial Infarction Models. Stem
Cell Reviews and Reports, 2022, 18(3):1143-1167, doi: 10.1007/s12015-021-10289-6
(2) Gandham S. et al. Technologies and Standardization in Research on Extracellular Vesicles, Trends in
Biotechnology, 2020, Volume 38, Issue 10, Pages 1066-1098, doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.05.012
(3) Megan Havers, Axel Broman, Andreas Lenshof, Thomas Laurell - Advancement and obstacles in
microfuidics‑based isolation of extracellular vesicles, Analytical and Bioanalytical Chemistry (2023)
415, 1265-1285 - https://doi.org/10.1007/s00216-022-04362-3.
(4) Saqib M, et al., Microfluidic Methods in Janus Particle Synthesis, Int J Nanomedicine. 2022; 17:
4355–4366. doi: 10.2147/IJN.S371579.
(5) Zhang L. et al. Microfluidic Methods for Fabrication and Engineering of Nanoparticle Drug Delivery
Systems, ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 1, 107–120 doi :10.1021/acsabm.9b00853.
After cardiac ischemia, damaged myocardium can lead to heart failure. In recent years, the protective role of extracellular vesicles (EVs) in cardiac ischemia has been demonstrated in preclinical models(1). EVs, produced naturally by all cells, are very small particles (∼40-160nm) formed from a plasma membrane and containing nucleic acids and proteins(2). But limitations to their application in cardiac therapy exist, these being linked on the one hand to the limited quantities of EVs due to insufficient isolation yields and, on the other hand, to the cumbersome nature of conventional (micrometer-scale) EV production and isolation methods such as ultracentrifugation. Microfluidics has proven its worth for synthesizing monodisperse nanoparticles (NPs) by nanoprecipitation(3), but also for manufacturing more complex drug nanovectors such as Janus NPs(4,5). This strategy will be adapted to our project to achieve, through fine control of thickness, density, homogeneity and reproducibility of the process, a surface coating of EVs giving them properties of interest for therapeutic application.

The aim of this Master 2 project is to develop a microfluidic approach to surface modification of EVs, to make them stable and non-immunogenic when administered in vivo.
To achieve this, the student will have to :
- Obtain EVs from cultured cells, purify them (using dedicated kits) and characterize them (by Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, CryoTEM, etc.).
- Optimize the parameters for using microfluidic chips and/or millifluidic mixers to obtain EVs embedded in a layer of either polymers or possibly modified lipids (already synthesized).
- In-depth characterization of post-coating EVs (size, cargo protein expression, stability, etc.) using methods already available at IGPS.

Internship context: The internship is funded by the HEALTHI interdisciplinary project at Université Paris Saclay. Work will take place at two sites: at the Institut Galien Paris Saclay (IGPS), UMR CNRS 8612, in the Henri Moissan research building (17 avenue des Sciences, 91 400 Orsay) for work on EVs production and characterization, and at the CEA- Saclay site (LIONS - NIMBE UMR 3685 CEA/CNRS) for work on microfluidics. Students will have access to state-of-the-art equipment at both sites, as well as to equipment on IPSIT (Ingénierie et Plateformes au Service de l'Innovation Thérapeutique) platforms.
Weekly meetings will be held to assess progress. In addition, oral presentations to the teams will take place during and at the end of the internship.

Contacts : Please send CV and covering letter to :
Prof. Myriam Taverna : myriam.taverna@universite-paris-saclay.fr and Dr. Frederic Gobeaux :
Frederic.GOBEAUX@cea.fr

References
1) Khan K. et al., Extracellular Vesicles as a Cell-free Therapy for Cardiac Repair: a Systematic Review and
Meta-analysis of Randomized Controlled Preclinical Trials in Animal Myocardial Infarction Models. Stem
Cell Reviews and Reports, 2022, 18(3):1143-1167, doi: 10.1007/s12015-021-10289-6
(2) Gandham S. et al. Technologies and Standardization in Research on Extracellular Vesicles, Trends in
Biotechnology, 2020, Volume 38, Issue 10, Pages 1066-1098, doi.org/10.1016/j.tibtech.2020.05.012
(3) Megan Havers, Axel Broman, Andreas Lenshof, Thomas Laurell - Advancement and obstacles in
microfuidics‑based isolation of extracellular vesicles, Analytical and Bioanalytical Chemistry (2023)
415, 1265-1285 - https://doi.org/10.1007/s00216-022-04362-3.
(4) Saqib M, et al., Microfluidic Methods in Janus Particle Synthesis, Int J Nanomedicine. 2022; 17:
4355–4366. doi: 10.2147/IJN.S371579.
(5) Zhang L. et al. Microfluidic Methods for Fabrication and Engineering of Nanoparticle Drug Delivery
Systems, ACS Appl. Bio Mater. 2020, 3, 1, 107–120 doi :10.1021/acsabm.9b00853.
Mots clés/Keywords
Pharmacie ; microfluidique ;
Pharmaceutics ; microfluidics ;
Compétences/Skills
- mélangeurs microfluidiques et millifluidiques - caractérisation des VEs : Diffusion Dynamique de la Lumière (DLS), Nanoparticle Tracking Analysis, CryoTEM...
- microfluidics & millifluidic mixers - EV and coated EV characterization: Dynamic Light Scattering, Nanoparticle Tracking Analysis, CryoTEM, etc.

 

 

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