Improved magneto-microfluidic separation of nanoparticles by molecular adsorption : from controlled aggregation to applications

La manipulation microfluidique de nanoparticules magnétiques est un outil intelligent pour les différentes applications environnementales et biomédicales. Dans la plupart de ces applications, les nanoparticules magnétiques portent sur leur surface des molécules adsorbées (micropolluants ou biomolécules) qui doivent être soit délivrées à un site spécifique (délivrance contrôlée des médicaments, transfection de gènes), soit extraites du solvant (tests immunologiques, purification de protéines, purification de l'eau). Malheureusement, ces techniques ont une forte limitation reliée à une faible efficacité de manipulation magnétique des nanoparticules pour cause de leur mouvement brownien et de la faible efficacité de leur séparation du fluide suspendant (séparation magnétique) sous écoulement dans des circuits microfluidiques. Cependant, les molécules adsorbées sur la surface des nanoparticules peuvent réduire les interactions colloïdales répulsives entre nanoparticules et provoquer une faible agrégation de nanoparticules. Une telle agrégation en absence d'application d'un champ magnétique mène à une augmentation de la taille effective des nanoparticules (ou plutôt des agrégats primaires). Une fois le champ magnétique appliqué, la force magnétique exercée sur les agrégats primaires est fortement amplifiée par rapport au cas de nanoparticules individuelles non-agrégées. Dans ce cas, les molécules adsorbées remplissent non seulement leur fonction dans les applications visées, mais assurent également une amélioration importante de la manipulabilité des nanoparticules par les champs magnétiques, élargissant ainsi leur champ d'application.Dans ce manuscrit, nous avons étudié l'effet de la quantité des molécules adsorbées sur l'efficacité de la manipulation et de la séparation magnétique des nanoparticules d'oxyde de fer (NOFs). Trois systèmes distincts ont été considérés : (i) l'adsorption d'un colorant cationique (bleu de méthylène) sur la surface de NOFs recouvertes par des ions citrate ; (ii) l'adsorption de la curcumine sur la surface des NOFs recouvertes de β-cyclodextrine pour la délivrance de médicaments contrôlée ; (iii) capture des antigènes sur la surface de NOFs fonctionnalisées par des anticorps (application aux tests immunologiques). Nous constatons des différences et des similitudes entre les comportements des trois systèmes physicochimiques. Les différences concernent les interactions colloïdales attractives entre les NOFs, tandis que les similitudes concernent les comportements généraux d'agrégation primaire, d'agrégation secondaire et de séparation magnétique. Pour tous système, un ajout d'une espèce chimique (citrate de sodium, curcumine) ou biochimique (antigènes) provoque inévitablement la croissance des agrégats primaires détectables par la diffusion dynamique de lumière (DLS). D'autre part, l'augmentation de la quantité d'espèces fixées à la surface et/ou du taux de greffage de la surface par les groupes fonctionnelles permet d'augmenter la taille des agrégats primaires et par conséquent d'intensifier considérablement l'agrégation secondaire et la séparation magnétique. En particulier l'efficacité de séparation magnétique respecte la loi d'échelle Λ ∝ Ma^(−1,57) en fonction du nombre de Mason Ma. Ces similitudes nous laissent espérer que les conclusions tirées pour les trois systèmes donnés peuvent être étendues sur d'autres systèmes physico-chimiques employant d'autres interactions colloïdales attractives entre les NOFs.The microfluidic manipulation of magnetic nanoparticles is a smart tool for different environmental and biomedical applications. In most of these applications, magnetic nanoparticles carry adsorbed molecules on their surface (micropollutants or biomolecules) which must be either delivered to a site specific (controlled drug delivery, gene transfection), either extracted from the solvent (immunological tests, protein purification, purifying water). Unfortunately, these techniques have a strong limitation related to a low efficiency of magnetic manipulation of the nanoparticles because of their Brownian motion and the low efficiency of their separation from the suspending fluid (magnetic separation) underflow in microfluidic circuits. However, the molecules adsorbed on the surface of the nanoparticles can reduce the repulsive colloidal interactions between nanoparticles and cause a low aggregation of nanoparticles. Such an aggregation in the absence of an applied magnetic field leads to an increase in the effective size nanoparticles (or rather primary aggregates). Once the magnetic field is applied, the magnetic force exerted on the primary aggregates will be greatly amplified compared to the case of individual nanoparticles non-aggregated. In this case, the adsorbed molecules not only perform their function in the intended applications but also ensure a significant improvement in the handling of nanoparticles by magnetic fields, thus broadening their field of application.In this manuscript, we studied the effect of the quantity of adsorbed molecules on theefficiency of magnetic manipulation and separation of iron oxide nanoparticles (NOFs). Threedistinct systems will be considered : (i) adsorption of a cationic dye (methylene blue) on the surface of NOFs coated with citrate ions ; (ii) adsorption curcumin on the surface of NOFs coated with β-cyclodextrin for the controlled delivery of drugs ; (iii) capture of antigens on the surface of NOFs functionalized by antibodies (application to immunological tests). We notice differences and similarities between the behaviours of the three physicochemical systems. The differences relate to the attractive colloidal interactions between the NOFs, while similarities relate to general aggregation behaviours primary, secondary aggregation and magnetic separation. For all systems, an addition of a chemical species (sodium citrate, curcumin) or biochemical (antigens) causes inevitably the growth of primary aggregates detectable by the dynamic diffusion of light (DLS). On the other hand, the increase in the quantity of species attached to the surface and/or the rate of grafting of the surface by the functional groups makes it possible to increase the size of the primary aggregates and consequently to considerably intensify the aggregation secondary and magnetic separation. The magnetic separation efficiency respects the scaling law Λ ∝ Ma^(−1,57) as a function of the Mason number Ma. These similarities suggest that the conclusions drawn for the three given systems can be extended to other physico-chemical systems employing other colloidal interactions attractive between NOFs