Nanoconfinement applications : from nanofluidic to biomimetical drug delivery devices

Submicrométrique, appuyées par l'avènement de nouvelles méthodes expérimentales, numériques ou théoriques, a rendu possible l'étude de nouveaux domaines auparavant inaccessibles. L'amélioration et la finesse de ces domaines de recherche permettent à présent de travailler à l'échelle de l'atome. A cette échelle, les interactions entre les différentes nanostructures peuvent dans certains cas donner lieu à des situations de confinement à très petite échelle. Il devient alors très difficile de prévoir le comportement des systèmes et même les interactions apparaissant au premier abord comme les plus simples peuvent engendrer des comportements inattendus et inexpliqués. Le contrôle des dispositifs expérimentaux et l'interprétation des résultats peuvent devenir alors délicats et l'utilisation d'outils numériques, en support ou en amont des expériences, est devenu incontournable pour apporter un soutien logistique à toute étude. L’avènement des méthodes numériques couplé à des puissances d’ordinateur toujours grandissante permettent aujourd’hui d’observer et d’analyser individuellement chaque atome d’un système. Les travaux de doctorat présentés dans ce mémoire ont donc porté dans leur globalité sur le développement de nouvelles nanotechnologies en étudiant plusieurs cas de nanoconfinements de complexité croissante. Pour cela, des simulations de dynamique moléculaire et des simulations quantiques ont été menées. Les premiers travaux rapportés ici concerne une forme très simple de confinement puisqu’il s’agit de l’étude du passage d’ions dans un dispositif nanofluidique constitué de nanotubes de carbone. L’apparition d’un comportement expérimental activé dans les caractéristiques courant/tension a pu ainsi être interprétée à l’échelle atomique en utilisant des simulations de dynamique moléculaire sur des systèmes de même géométrie qu’expérimentalement. Nous avons ainsi pu démontrer que le comportement activé provenait d’une compétition subtile entre la répartition de l’eau et des ions dans le tube et les réservoirs mais aussi de l’influence de la charge en surface des nanotubes. L’encapsulation d’une molécule anticancéreuse dans un nanotube de nitrure de bore afin de créer de nouveaux vecteurs de médicaments a ensuite été étudiée afin de mettre au point de nouveaux vecteurs de médicaments biocompatibles. Des calculs à la fois menés en dynamique moléculaire et en DFT ont permis une analyse détaillée de la stabilisation de la molécule sur les parois internes et externes du BNNT en fonction de son rayon. Ces résultats ont notamment été comparés avec les résultats équivalents pour des simulations similaires réalisées sur des nanotubes de carbone. Le relargage de la molécule au voisinage de son site d’action a finalement été démontré sur un cas précis. Enfin, les derniers travaux constituent une forme de confinement encore plus complexe : le passage de brins d’ADN dans le canal d’une protéine d’alpha Hémolysine confinée dans un nanopore afin de créer de nouveaux séquenceurs d’ADN. Dans une première étape, nous avons d’abord déterminé les conditions géométriques optimum pour stabiliser la protéine dans une membrane synthétique hydrophobe mimant la membrane cellulaire. Puis les variations de courant engendrées par la diffusion d’adenine et de cytosine dans le canal ont étémesurées grâce à des simulations de dynamique moléculaire tout-atome et comparées aux valeurs expérimentales menées dans les mêmes conditions. L’accord tout à fait cohérent entre simulation et expériences ouvre de larges perspectives pour le développement de nouvelles applicationsOver the last two decades, the considerable development of submicron-scale technologies, supportedby the advent of new experimental, numerical or theoretical methods, has allowed the study ofpreviously inaccessible domains. The improvement of these areas of research now allow to work atthe atomic-scale. At this scale, the strong confinement of particles generates some specificinteractions between the different atoms in the system which can in certain cases generates somenew physical applications. It is then very difficult to predict the behavior of the systems and even theinteractions appearing at first glance as the simplest can generate unexpected and unknownbehaviors. The control of the experimental devices and the interpretation of their results can be veryhard, and the use of numerical methods, to support or guide of the experiments, has becomenecessary. Indeed, the improvement of computer and numerical methods can now allow studying andanalyzing system at the atomic scale. The PhD work presented in this thesis has therefore focused onthe development of new nanotechnologies by studying 3 cases of nanoconfinements of increasingcomplexity. For this, molecular dynamics and quantum simulations were conducted. The first workreported here relates to a very simple form of confinement since it studies the transition of ionsthrough a nanofluidic device made of carbon nanotubes. The experimental observation of an activatedbehavior in the current/voltage characteristic was fully interpreted using Molecular dynamicssimulations carried out on carbon nanotubes with the same geometry than experimental ones. Afternumerically reproducing the current-activated behavior, we have proven that the activated curveswere due to a subtle competition between the distribution of water and ions in the nanotube as well asthe bulk, but also were due to the influence of the surface charge distribution on the nanotube wall.The encapsulation of an anticancer molecule in a boron nitride nanotube in order to create new drugvectors was then studied. Calculations using molecular dynamics and DFT allowed a detailed analysisof the encapsulation of the molecule on the inner and outer walls of the BNNT depending of its radius.These results have also been compared with similar simulations carried out on carbon nanotubes. Therelease of the anticancer molecule was also proven to be possible near the targeted membrane cell.Finally, the third work investigates an even more complex form of confinement: the translocation ofDNA strands in the channel of an alpha-hemolysin protein confined in a nanopore in order to createnew DNA sequencers. The geometrical conditions of stabilization of the protein were first investigatedin a synthetic membrane which mimics the biological media of the protein. Then the current variationsgenerated by the diffusion of adenine and cytosine in the channel were measured using all-atommolecular dynamics simulations and well compared to the corresponding experimental data. Thestrong agreement between experiments and simulations opens some large and interestingperspectives for the development of new biomimetic application