Regarder de plus près : comprendre l'agrégation des particules en solution
02 Nov 2026Exploiter la diffusion des neutrons pour comprendre l'agrégation des particules.
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Santé
Les particules en solution peuvent se rapprocher les unes des autres pour former des structures de plus grande taille, appelées agrégats. Ce processus d’agrégation est régi à la fois par les forces d’attraction et de répulsion électrostatiques. Comprendre cet équilibre subtil est essentiel pour prévenir la formation d’agrégats lorsque celle-ci risque d’altérer la viscosité ou les propriétés fonctionnelles du système, notamment dans le cas des formulations thérapeutiques.
Dans une étude récente menée sur l’instrument de diffusion aux petits angles D22 de l’ILL, et complétée par des simulations de dynamique moléculaire
des simulations, les scientifiques ont pu exploiter les propriétés fondamentales des neutrons afin d’étudier le comportement de particules individuelles en solution.
Leur étude a révélé comment ces particules s’assemblaient pour former de grands agrégats moléculaires, constitués d’un cœur interne et d’une enveloppe externe. Les particules étaient plus densément regroupées dans la région périphérique que dans le cœur, en raison de l’interaction entre les forces attractives et répulsives, mais aussi, et surtout, de la souplesse et de la déformabilité des particules.
Cette étude a ainsi permis de mieux comprendre, à l’échelle nanométrique, les mécanismes fondamentaux à l’origine de l’assemblage moléculaire.
Pourquoi l’agrégation est-elle importante ?
Les particules en solution peuvent parfois former des agrégats, c’est-à-dire de grands assemblages maintenus par des forces d’attraction. Dans les solutions contenant des molécules thérapeutiques, telles que les anticorps, l’agrégation peut devenir problématique, car elle risque de modifier la viscosité, l’injectabilité et la biodisponibilité des formulations pharmaceutiques.
On sait que la souplesse des particules peut déterminer la manière dont les agrégats se forment ainsi que leurs propriétés. Les particules souples peuvent plus facilement « s’interpénétrer » (un phénomène appelé interpénétration), ce qui conduit à la formation d’agrégats très denses.
Il est également important de prendre en compte les forces électrostatiques entre les particules, qui sont toujours présentes dans les systèmes réels. Alors que les forces attractives rapprochent les particules et favorisent la formation d’agrégats encore plus denses, les forces répulsives tendent à les éloigner les unes des autres et à empêcher leur agrégation.
Pour décrypter l’équilibre entre la souplesse des particules et les interactions électrostatiques, il est essentiel de comprendre le comportement des particules individuelles au cours de la formation des agrégats, ainsi que les éventuelles modifications de leur forme, de leur taille ou de leur charge pendant ce processus.
L’accord de contraste : rendre certaines particules invisibles de manière sélective
Suivre individuellement les particules au sein d'une solution qui en contient un grand nombre peut s'avérer délicat. Une technique particulièrement adaptée à cet objectif est la diffusion des neutrons aux petits angles (SANS).
Lors d’une expérience de SANS, des neutrons sont dirigés vers un échantillon, par exemple une solution contenant des particules, puis détectés après avoir été diffusés par celui-ci. Le diagramme de diffusion obtenu fournit des informations sur la forme des particules et sur leurs interactions.
L’un des atouts majeurs des neutrons réside dans leur sensibilité très différente à l’hydrogène et à son isotope plus lourd, le deutérium. Cette propriété permet aux scientifiques de « marquer » sélectivement certaines molécules en les deutérant. Ils peuvent ainsi suivre précisément le comportement et les trajectoires des molécules marquées, tout en masquant le signal de celles qui ne le sont pas.
Cette technique est appelée accord de contraste (contrast matching).
Les neutrons à la recherche des particules individuelles
Lors d’une expérience récente menée sur l’instrument de diffusion aux petits angles D22 de l’ILL, une équipe de chercheurs a élucidé les mécanismes à l’origine de l’agrégation de microgels dits « cœur-coquille ». Il s’agit de petits réseaux moléculaires dont les caractéristiques, telles que la taille et la charge électrique, peuvent être facilement ajustées lors de leur synthèse. La dénomination « cœur-coquille » fait référence à la structure de ces microgels : on peut les visualiser comme des balles de tennis légèrement usées, dont la partie solide représente le cœur et la couche de fibres duveteuses qui l’entoure, la coquille. Une fois en solution, les microgels peuvent gonfler en fonction des propriétés du solvant utilisé, ce qui leur confère un intérêt dans de nombreux domaines de recherche.
Grâce à la technique d’accord de contraste (contrast matching), les scientifiques ont pu suivre le comportement de microgels majoritairement chargés négativement dans une solution contenant une faible proportion de microgels chargés positivement, rendus invisibles grâce à la deutération. Leurs expériences de diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) ont révélé que les microgels, qui s’assemblaient effectivement pour former des agrégats de plus grande taille, subissaient une compression étonnamment importante. Ce phénomène était particulièrement marqué dans la région de la coquille, tandis que le cœur ne présentait pratiquement aucune compression.
À titre de comparaison, l’équipe a étudié un échantillon de microgels chargés négativement. Leur comportement s’est révélé très différent : dans ce cas, les microgels étaient compactés aussi bien au niveau du cœur que de la coquille.
La compression observée dans le cas des microgels de charges opposées s’explique par deux phénomènes. Premièrement, le rapprochement des microgels entraîne la libération de petits ions, ce qui augmente le désordre du système, conformément à un principe physique fondamental qui régit les interactions moléculaires. Deuxièmement, les microgels s’interpénètrent, un phénomène rendu possible par leur souplesse.
Les résultats obtenus par SANS ont été complétés par des simulations de dynamique moléculaire, particulièrement utiles pour apporter des informations à des échelles de longueur extrêmement petites, notamment à celle des ions individuels.
Les données obtenues par les scientifiques apportent ainsi de précieuses informations sur la manière dont les forces électrostatiques attractives et répulsives peuvent agir conjointement pour former de grandes structures moléculaires, chacune laissant une empreinte spécifique dans différentes régions de ces structures.
Il est important de souligner que les échantillons présentant une répartition hétérogène des charges permettent de mieux comprendre le comportement de biomolécules tout aussi hétérogènes et complexes, telles que les protéines. Les travaux présentés ici trouvent donc des applications potentielles dans l’étude d’échantillons d’intérêt biomédical.
En exploitant les propriétés fondamentales des neutrons, cette expérience a montré comment la souplesse, la charge électrique et la déformabilité des particules déterminent leur organisation tridimensionnelle au sein de structures de plus grande taille.
Ces connaissances sont particulièrement précieuses pour comprendre la formation d’agrégats dans d’autres systèmes, notamment dans les solutions contenant des molécules thérapeutiques, et pour trouver des moyens d’empêcher cette agrégation d’altérer leur fonctionnalité.
Référence: Petrunin, Alexander V., Hannah F. Mathews, Tom Höfken, Philipp Leclercq, Ralf Schweins, Pablo Mota-Santiago, Stefanie Schneider, Andrij Pich, and Andrea Scotti. Compression and Interpenetration of Ionic Microgels in Electrostatically Self-Assembled Clusters. ACS nano (2026), DOI: 10.1021/acsnano.6c00724
Instrument ILL : D22
Contact ILL : Ralf Schweins
Institutions ayant participé à la recherche : Heinrich-Heine University, RWTH Aachen University, DWI - Leibniz Institute for Interactive Materials, Australian Nuclear Science and Technology Organisation, MAX IV Laboratory, Lund University