Nanoparticules de Chitosane – Propriétés et applications

Par Will SoutterMai 2 2013

Le chitosane est un polymère intéressant qui a été largement utilisé dans le domaine médical. Il s’agit de chitine partiellement ou entièrement désacétylée. Comme la chitine se produit naturellement (dans les parois cellulaires fongiques et les coquilles de crustacés, par exemple), le chitosane est entièrement biodégradable et biocompatible et peut être utilisé comme adhésif et comme agent antibactérien et antifongique.

Le chitosane a fait l’objet d’études approfondies en tant que vecteur potentiel de médicament en raison de ses propriétés biocompatibles. Certaines études ont suggéré d’utiliser du chitosane pour enrober des nanoparticules faites d’autres matériaux afin de réduire leur impact sur le corps et d’augmenter leur biodisponibilité.

Le degré de désacétylation et le poids moléculaire du chitosane peuvent être modifiés pour obtenir différentes propriétés physico-mécaniques. La composition élémentaire du polymère de chitosane est le carbone (44,11%), l’hydrogène (6,84%) et l’azote (7,97%). Le poids moléculaire moyen de viscosité du chitosane est de ~ 5.3 x 105 Daltons.

Micrographie électronique à balayage de nanoparticules enrobées de chitosane chargées de docétaxel.
Crédits d’image: S Saremi, Université des Sciences Médicales de Téhéran via Open-i, Bibliothèque Nationale de médecine des États-Unis.

Formation de nanoparticules de chitosane

Le chitosane a fait l’objet d’études approfondies en tant que vecteur potentiel de médicament en raison de ses propriétés biocompatibles. Certaines études ont suggéré d’utiliser du chitosane pour enrober des nanoparticules faites d’autres matériaux afin de réduire leur impact sur le corps et d’augmenter leur biodisponibilité.

Le degré de désacétylation et le poids moléculaire du chitosane peuvent être modifiés pour obtenir différentes propriétés physico-mécaniques. La composition élémentaire du polymère de chitosane est le carbone (44,11%), l’hydrogène (6,84%) et l’azote (7,97%). Le poids moléculaire moyen de viscosité du chitosane est de ~ 5,3 x 105 Daltons.

Propriétés antifongiques du Chitosane

Sous sa forme polymère libre, le chitosane présente une activité antifongique contre Alternaria alternata, Rhizopus oryzae, Aspergillus niger, Phomopsis asparagi et Rhizopus stolonifer. L’activité antifongique du chitosane dépend de sa concentration, de son poids moléculaire, de son degré de substitution et du type de groupes fonctionnels ajoutés au chitosane, ainsi que du type de champignon.

Alors que des dérivés du polymère peuvent être créés pour cibler des agents pathogènes spécifiques, le chitosane présente une activité antifongique naturelle sans nécessiter de modification chimique.

Nanoparticules de Chitosane dans l’administration de médicaments

Plusieurs groupes de recherche ont étudié les propriétés des nanoparticules de chitosane en vue de les utiliser comme agent d’administration de médicaments. La biocompatibilité et la non-toxicité du matériau le rendent attrayant en tant qu’agent neutre pour la délivrance d’agents actifs.

Des recherches menées en 2005 ont confirmé que la gélification ionique peut être utilisée pour produire des nanoparticules de chitosan-TPP de qualité suffisante pour être utilisées dans des applications cliniques. Les chercheurs ont également déterminé l’effet de certains paramètres de fabrication sur les propriétés des particules, afin d’assurer des résultats reproductibles du processus de production.

Les recherches menées en 2006 se sont ensuite concentrées sur l’interaction in vitro et in vivo de nanoparticules de chitosane (CSNP), en tant que nouveau vecteur de médicament particulaire, ayant des cellules épithéliales à la surface oculaire. La gélification ionotrope a été utilisée pour produire les CSNP marqués avec l’isothiocyanate de fluorescéine – albumine sérique bovine.

Trois concentrations différentes de CSNP ont été prises et des cellules épithéliales conjonctivales humaines (IOBA-NHC) y ont été exposées pendant 15, 30, 60 et 120 minutes. La viabilité et la survie cellulaire ont été mesurées après une période de récupération de 24 heures dans le milieu de culture et immédiatement après le traitement.

La microscopie confocale a été utilisée pour mesurer la relation entre les CSNP et les cellules IOBA-NHC. La fluorométrie a été utilisée pour étudier l’impact de la température et de l’inhibition métabolique. La tolérance aiguë et l’absorption in vivo de la surface oculaire par les PCSN ont été étudiées chez le lapin.

On a observé que l’absorption de CSNP était continue pendant la durée de l’expérience et dépendait de la température. L’inhibition métabolique par l’azoture de sodium n’a pas eu d’impact sur l’absorption du CNSP.

Il n’y avait aucun signe d’altération ou d’inflammation après une exposition au CSNP sur la surface oculaire du lapin. La microscopie à fluorescence des sections du couvercle et du globe oculaire du lapin a confirmé l’absorption in vivo par les épithéliums cornéens et conjonctivaux. Ces nanoparticules ont été bien acceptées par les tissus de la surface oculaire.

Pour l’administration de médicaments par voie non injectable aux sites muqueux, l’un des principaux défis est l’absorption des médicaments à ces sites. Le système d’administration du médicament doit comporter des particules muco-adhésives et libérer le médicament au fil du temps.

En raison de la charge positive du chitosane, il peut se lier au mucus chargé négativement. Ainsi, le chitosane peut agir comme un excellent transporteur pour les médicaments muco-adhésifs. Des nanoparticules à base de chitosane ont été utilisées pour administrer des médicaments aux poumons, le chitosane aidant à se fixer à la muqueuse pulmonaire.

L’inhalation de poudre sèche de rifampicine, un médicament anti-tuberculeux, formulé avec du chitosane comme support polymère a montré une libération prolongée du médicament pendant 24 heures. De même, le dépôt pulmonaire d’itraconazole, un médicament antifongique, a augmenté lorsqu’il est formulé sous forme de microparticules d’itraconazole séchées par pulvérisation chargées de nanoparticules de chitosane.

Particules d’or-Chitosane pour la détection des métaux lourds

Dans un autre article de recherche en 2005, une stratégie innovante d’utilisation de nanoparticules d’or recouvertes de chitosane pour la détection des ions de métaux lourds a été suggérée. Le chitosane est polycationique et peut donc être attaché aux surfaces de nanoparticules d’or chargées négativement par des interactions électrostatiques.

L’utilisation du chitosane fournit un obstacle stérique suffisant pour assurer la stabilité des colloïdes et la fonctionnalisation des nanoparticules pouvant être utilisées comme capteurs. Les propriétés chélatantes du chitosane et les propriétés optiques des nanoparticules d’or ont été utilisées pour détecter de faibles concentrations d’ions de métaux lourds dans l’eau.

Particules de chitosane pour le traitement de l’eau

Outre les applications médicales, le chitosane a également été utilisé dans le traitement de l’eau. La présence de groupes fonctionnels tels que l’hydroxyle et l’amino dans le chitosane en fait un excellent adsorbant. Une étude a rapporté que les membranes de nanoparticules revêtues de chitosane étaient capables d’éliminer les bactéries beaucoup mieux que les membranes non revêtues.

Une autre étude de 2015 a rapporté l’utilisation de nanoparticules de chitosane-oxyde de zinc pour éliminer environ 99% de la couleur des effluents textiles. Si le chitosane est rendu magnétique, il peut, avec les colorants adsorbés, être facilement récupéré à l’aide de forces magnétiques, permettant une bonne réutilisabilité de l’eau.

Applications de nanoparticules de Chitosane

Les applications de nanoparticules de chitosane sont énumérées ci-dessous:

• Agents antibactériens, vecteurs de délivrance de gènes et porteurs de libération de protéines et de médicaments.
• Un adjuvant potentiel pour les vaccins tels que la grippe, l’hépatite B et le vaccin paratyphoïde pour porcelets.
• Un nouveau système d’administration nasale pour les vaccins. Ces nanoparticules améliorent l’absorption des antigènes par les tissus lymphoïdes des muqueuses et induisent de fortes réponses immunitaires contre les antigènes.
• Il a également été prouvé que le chitosane prévenait l’infection des plaies et accélérait le processus de cicatrisation des plaies en améliorant la croissance des cellules de la peau.
• Les nanoparticules de chitosane peuvent être utilisées à des fins de conservation lors de l’emballage des aliments et en dentisterie.
• Il peut également être utilisé comme additif dans les textiles antimicrobiens pour la production de vêtements pour les professionnels de la santé et d’autres professionnels.
• Les nanoparticules de chitosane présentent une activité antimicrobienne efficace contre Staphylococcus saprophyticus et Escherichia coli.
• Ces matériaux peuvent également être utilisés comme matériau de cicatrisation pour la prévention des infections opportunistes et pour permettre la cicatrisation des plaies.
• Il a également été prouvé que les nanoparticules présentaient des propriétés régénératrices de la peau lorsque des matériaux ont été testés en laboratoire sur des fibroblastes et des kératinocytes de cellules cutanées, ouvrant la voie à des produits de soin anti-âge.

Sources et lectures complémentaires

• Activité antifongique des nanoparticules de Chitosane et Corrélation avec leurs propriétés physiques – International Journal of Biomaterials
• Nanoparticules de chitosane fluorescentes ultra-petites dispersibles dans l’eau: synthèse, caractérisation et ciblage spécifique – La Royal Society of Chemistry
• Capteurs d’ions de métaux lourds utilisant des nanoparticules d’or coiffées de chitosane – IOP Science
• Chitosane pour des applications biomédicales – Université de l’Iowa
• Progrès récents dans la délivrance de médicaments pulmonaires nanoparticulaires à base de Chitosane – Nanoparticules à l’échelle nanométrique
• Élimination des colorants textiles des effluents d’eaux usées à l’aide d’un nanocomposite chitosane—ZnO. Journal of Textile Science and Engineering
• Élimination des colorants et cinétique d’adsorption par des nanoparticules de chitosane magnétique. Traitement de l’eau désalinisée

Cet article a été mis à jour le 2 septembre 2019.

Écrit par

Will Soutter

Will a un B.Sc . en chimie de l’Université de Durham, et a M.Sc . en chimie verte de l’Université de York. Naturellement, Will est notre expert en chimie résident, mais, un amour de la science et d’Internet fait de Will le polyvalent de l’équipe. Dans ses temps libres, Will aime jouer de la batterie, cuisiner et brasser du cidre.

Citations