Layered double hydroxides and their composites : design, synthesis and specific applications

par Elena-Florentina Grosu

Thèse de doctorat en Ingénierie des Fonctions Biologiques

Sous la direction de Rénato Froidevaux et de Gabriela Carja.

  • Titre traduit

    Hydroxydes doubles lamellaires et dérivés : conception, synthèse et applications spécifiques


  • Résumé

    Explorer les caractéristiques à l'échelle nanométrique de la matière et la combiner avec d’autres matériaux, permettent la fabrication de nouveaux objets avec des fonctionnalités améliorées, pour une utilisation potentielle dans le domaine biomédical, la catalyse, l'ingénierie, l'électronique, la biotechnologie, etc… Les argiles anioniques, également appelées des Hydroxydes Doubles Lamellaires (HDL), constituent une catégorie de matériaux hydrotalcite qui possèdent une grande variété de compositions et une capacité d'auto-assemblage. Lorsque ces HDL sont utilisés en présence de systèmes biologiques, ils agissent comme des matériaux soft, sans effet significatif sur les biomolécules constitutives. Dans ce contexte, le sujet de thèse porte sur la conception de matériaux HDL nanostructurés, leur caractérisation physico-chimique et leur utilisation en photocatalyse, biomédecine et biochimie. La première partie de ce travail aborde la fabrication de nanoparticules auto-assemblées (NP) sous forme de matériaux Au, In, Ag et Ga sur ZnHDLs en utilisant la co-précipitation suivie par une étape de reconstruction/imprégnation. Les techniques de caractérisation utilisées ont montré que les nouveaux matériaux avaient une structure hydrotalcite, qu'ils étaient cristallins et que, après reconstruction, la structure initiale était récupérée. Les nanomatériaux NP/HDL ont montré une activité de photodéposition élevée lorsqu'ils étaient irradiés sous une lumière solaire simulée et étaient capables de photodégrader des polluants organiques tels que le phénol, le p-nitrophénol, l'acétophénone et le diclofénac. L'amélioration des performances des matériaux hybrides néoformés, par rapport à leurs matériaux d'origine, est une conséquence de la formation d'une séparation superficielle entre les NP dispersés et la surface d'argile, ce qui conduit à une diminution du taux de recombinaison. La seconde partie de cette thèse étudie les interactions entre les matériaux ayant pour base HDL ou Au/HDL et l'enzyme Peroxydase de raifort (HRP). Les résultats ont montré que les produits HDL résultant de la calcination de l’argile à 550° C sont capables d’immobiliser l’enzyme par adsorption, avec reformage de la structure en couches. Les données cinétiques ont montré que seuls les matériaux sans AuNPs conservent l'activité de l'enzyme, alors que ceux contenant les AuNPs dans leur structure sont « enzymatiquement » inactifs. Le concept de dégradation photo-enzymatique du phénol sous irradiation solaire et en présence de biohybride HRP/HDL a également été confirmé. Le résultat a montré un effet synergique de la dégradation enzymatique et photocatalytique. De plus, il a été démontré que HRP peut influencer la libération de particules d’Au de la surface des Au/HDL lors de la formation de complexes HRP-AuNPs. Dans une seconde étude, le cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide (NADH) a été régénéré à partir de NAD+ en présence de Au/HDL, de lumière solaire et en utilisant de la flavine mononucléotide (FMN) comme médiateur électronique. À une valeur de pH égale à 8, la régénération du NADH était totale dans un intervalle de temps de deux heures. Dans la dernière partie de ce travail de thèse, les interactions entre les matériaux Au/HDL et le virus de l'hépatite B (VHB) ont été étudiées. Les données de cytotoxicité ont montré que les matériaux HDL n’avaient pas d’influence significative sur la viabilité des cellules. De manière remarquable, les formulations Au/HDL ont montré qu’elles peuvent inhiber la prolifération du VHB. Les HDL bruts manifestent une activité antivirale modeste.


  • Résumé

    Exploring the nano scale features of the matter and combining together different materials, novel composites with enhanced features can be fabricated, for their further utilization in biomedicine, catalysis, engineering, electronics, biotechnology and others. The anionic clays, also called layered double hydroxides (LDHs) are a category of hydrotalcite composites which possess high compositional variety, able to self-assembly. When used in presence of biological systems, they act as soft materials, with no significant effect over the constituent biomolecules. In this context, the thesis subject deals with the design of nanostructured composites LDHs type, for their further physicochemical characterization and utilization in photocatalysis, biomedicine and biochemistry. The first part of this work approaches the fabrication of self-assembled nanoparticles (NPs) as Au, In, Ag, and Ga on ZnLDHs materials by using co-precipitation, followed by reconstruction or impregnation synthesis methods. The applied characterization techniques proved that the novel materials have a hydrotalcite structure, they are crystalline and after reconstruction, the initial structure is recovered. The nanomaterials NPs/LDHs showed high photo-response activity when irradiated under simulated solar light and they were able to photodegrade organic pollutants as phenol, p-nitorphenol, acetophenone and diclofenac. The enhancement of hybrids performance, compared with their parent materials, is a consequence of the formation of surface separation between dispersed NPs and clay surface, which leads to recombination rate decrease. The second part of this thesis investigates the interactions between the LDHs or Au/LDHs based materials and Horseradish Peroxidase (HRP) enzyme. The results proved that the LDHs products resulted after clay calcination at 550 °C are capable to immobilize the enzyme via adsorption, with layered structure reformation. The kinetic data showed that only the materials without AuNPs retain the enzyme activity, while those with AuNPs in their structure are enzymatically inactive. The concept of photo-enzymatic degradation of phenol under solar irradiation and in presence of HRP/LDH biohybrid was also confirmed. The result was expressed as the synergetic effect between the enzymatic and the photocatalytic degradation. Furthermore, it was demonstrated that HRP can mediate the gold release from Au/LDH surface through HRP-AuNPs complex formation. In a separate study the nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) cofactor was regenerated from NAD+ in presence of Au/LDH, solar light and using flavin mononucleotide (FMN) as an electron mediator. At a pH value of 8, the NADH regeneration was total in a time interval of two hours. In the last section of this work, the interactions between Au/LDHs materials and hepatitis B virus (HBV) were investigated. The cytotoxicity data have been demonstrated that the LDHs materials had no significant influence over cells viability. Remarkably, the Au/LDHs formulations have shown that they can inhibit the HBV proliferation. The parent LDHs materials manifest a modest antiviral activity.



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