An Overview on the Field of Micro- and Nanotechnologies for Synthetic Peptide-Based Vaccines

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Development of nanotechnologies

This article summarizes the key findings and recommendations of the Royal Society/Royal Academy of Engineering Report on Nanotechnology1. The report is enthusiastic about the great potential benefits of nanotechnologies. Uncertainties associated with the health and environmental impacts of free, manufactured nanoparticles and nanotubes are discussed. It recommends research to understand better their toxicology and exposure pathways, and actions to restrict exposure of humans and the environment to free, manufactured nanoparticles and nanotubes until they are better understood. The need for public dialogue about the development of nanotechnologies is highlighted.

Initiatives médiatiques pour baliser le développement des nanotechnologies : une enquête qualitative auprès des journalistes et des chercheurs en nanobiotechnologies

Grâce aux nanotechnologies, l’être humain peut maîtriser la matière à l’échelle du nanomètre — soit au niveau des atomes et des molécules. Les matériaux obtenus suite à ces manipulations présentent des propriétés nouvelles qui les rendent très intéressants pour nombre d’applications techniques, et ce dans tous les domaines technoscientifiques. Ainsi, les nanotechnologies sont souvent considérées comme les prémisses d’une profonde révolution technologique et sociale. Toutefois, si les nanotechnologies intéressent investisseurs, gouvernement, entreprises et universités, elles soulèvent aussi des questions éthiques, notamment au sujet de leur toxicité, de leurs retombées et de la modification de l’être humain. À ces questions s’ajoutent plusieurs interrogations sur la gouvernance des nanotechnologies : comment, en effet, encadrer en amont le développement de celles-ci pour éviter d’éventuelles conséquences néfastes en aval? Parmi ces interrogations, le rôle des médias dans les relations entre les développeurs de nanotechnologies et le public est souvent mentionné. Certains voient dans les médias un acteur auquel les chercheurs pourraient recourir pour établir un dialogue avec le public afin d’assurer un développement harmonieux des nanotechnologies. Si cette recommandation semble très pertinente, il n’existe, à notre connaissance, aucune étude empirique pour en vérifier la faisabilité auprès des acteurs concernés (chercheurs, médias, etc.). Dans le cadre de cette thèse, nous avons donc voulu examiner et analyser les perceptions des chercheurs et des journalistes québécois envers des initiatives médiatiques pour baliser le développement des nanotechnologies. Pour ce faire, nous avons procédé à une étude qualitative auprès de vingt (20) chercheurs en nanobiotechnologies/nanomédecine et dix (10) journalistes spécialisés en vulgarisation scientifique. L’analyse des entretiens avec les répondants a révélé que si les acteurs rencontrés sont favorables envers de telles initiatives, il existe plusieurs contraintes pouvant gêner une telle entreprise. Suite à l’examen de ces contraintes, nous avons suggéré des initiatives concrètes que les chercheurs québécois pourraient mettre en place pour mieux baliser le développement des nanotechnologies à l’aide d’un dialogue avec le public. Ces suggestions consistent notamment à créer des médias privés pour les chercheurs, à recourir aux médias indépendants et à investir le web. De telles initiatives, cependant, ne peuvent s’obtenir qu’au prix d’un remaniement des priorités des chercheurs.

Le Nanomonde des chercheurs. Analyse sociologique des pratiques et des discours sur l’instrumentation en nanotechnologies.

Réalisé en cotutelle avec l'Université Paris 1 Panthéon-Sorbonne.

La nanosanté : perspective et enjeux sociologiques de l'application des nanotechnologies à la médecine.

Considérée comme le futur de la pratique médicale, la nanomédecine est l’application des nanotechnologies aux soins de santé. Plus qu’un nouveau domaine d’application technologique, la nanomédecine est porteuse d’un nouveau paradigme biomédical qui promeut une conception technoscientifique de la santé. Ce nouveau paradigme regroupe sous le préfixe nano l’ensemble des grandes tendances actuelles de la recherche en santé : la médecine prédictive, la médecine personnalisée et la médecine régénératrice. Centré sur le développement d’innovations visant au contrôle technique des éléments et des processus biologiques fondamentaux, ce nouveau paradigme se développe largement grâce au soutien des gouvernements et aux promesses économiques qu’il soulève. Il se construit à la croisée du scientifique, du politique et de l’économique. Interroger la nanomédecine revient alors à examiner plus largement la forme et les conditions du sens des innovations biomédicales et à soulever les implications de la « technoscientifisation » des soins de santé. L’objectif de cette thèse est de rendre compte de la spécificité et des enjeux sociaux, culturels et politico-économiques caractéristiques du modèle biomédical technoscientifique porté par la nanomédecine à partir de sa conceptualisation sous la forme d’un idéaltype : la nanosanté. Si la nanomédecine renvoie de manière générale aux applications techniques de la nanotechnologie au domaine biomédical, la nanosanté renvoie aux diverses dimensions sociologiques constitutives de ces technologies et à leurs effets sur la santé et la société. Notre modèle de la nanosanté s’organise autour de trois dimensions : la transversalité, l’amélioration et la globalisation. Compte tenu de sa nature synthétique, ce modèle tridimensionnel permet iii d’aborder de front plusieurs questionnements cruciaux soulevés par le développement de la nanomédecine. Il permet d’éclairer le rapport contemporain à la santé et ses implications sur l’identité ; de mettre en lumière la centralité des technosciences dans la conception du progrès médical et social ; de mieux saisir les nouvelles formes globales de pouvoir sur la vie et les nouvelles formes d’inégalité et d’exploitation caractéristiques d’une société qui accorde une valeur grandissante à l’adaptabilité technique de l’humain et à l’économisation de la santé et du corps ; mais aussi de mieux comprendre le sens et les répercussions de l’engagement scientifique, politique et économique dans les innovations moléculaires et cellulaires.

Une Innovation didactique basée sur les nanotechnologies au lycée: quels effets sur la dynamique professionnelle des enseignants?

Une nouvelle stratégie éducative a associé durant trois ans (2006-2009), au sein d’un lycée toulousain, enseignants du secondaire et chercheurs en sciences (CNRS-LAAS) et sciences humaines (ERT 64-GRIDIFE). Dans une classe de Terminale Scientifique, elle permet de combiner enseignement scientifique (mathématiques, physique-chimie, Sciences de la Vie et de la Terre) et enseignement aux « humanités » (philosophie, histoire-géographie-Éducation Civique, Juridique et Sociale (ECJS), anglais). Cette ingénierie d’éducation citoyenne des sciences repose sur l’enseignement des nanotechnologies. Ces dernières touchent de nombreux secteurs d’application et sont appelées à connaître un fort développement dans la société, engendrant de ce fait, de nombreux bouleversements en matière de développements économiques et industriels mais aussi de questionnements sur les relations entre sciences, technologies et société1. L’ingénierie d’éducation citoyenne aux sciences met l’accent sur la complémentarité entre formation scientifique et éthique pour éduquer les futurs citoyens à faire face à l’incertitude liée aux technosciences et leur impact sur la société (Désautels, 2002 ; Bensaude-Vincent, 2009)

Débattre sur une question en rapport avec les nanotechnologies et la société au lycée: pour une approche didactique

Les nanotechnologies sont devenues l’un des domaines de la recherche qui a connu une des plus fortes croissances au cours de ces dernières années. Partout dans le monde, des tentatives sont menées afin de proposer des scénarios didactiques d’enseignement des nanotechnologies dès l’école primaire. Compte tenu de l’avancée rapide des nanotechnologies et de leurs controverses de nombreuses questions vont pourtant émerger dans tous les domaines : technologiques, économiques, environnementaux, santé, éducation, éthique, morale et philosophique (Bensaude- Vincent, 2009). Il apparaît essentiel d’étudier les conditions d’enseignement des nanotechnologies auprès de lycéens en intégrant deux dimensions : l’une scientifique, l’autre sociale et éthique. Nos travaux se situent dans le courant de recherche en didactique des sciences qui prend en compte les interactions Sciences – Technologies - Société et plus particulièrement les SSI, (Socio Scientific Issues). Il s’agit d’étudier des dilemmes sociaux inhérents à certains champs scientifiques face aux avancées des sciences et technologies. Les sciences et les technologies sont des artéfacts et sont ainsi sujets à critiques parmi lesquelles les questions de pouvoir et d’inégalités potentielles doivent être étudiées. La mise en débat d’une question est envisagée comme une solution adaptée pour aborder les SSI (Sadler, 2004). Le débat argumenté dans le cadre de l’enseignement des sciences semble être un outil pédagogique adapté pour aborder avec les élèves les rapports entre recherche scientifiques et questions sociétales. Cependant, cette activité est complexe et difficile à mettre en oeuvre

Cell therapies for heart function recovery: focus on myocardial tissue engineering and nanotechnologies

Cell therapies have gained increasing interest and developed in several approaches related to the treatment of damaged myocardium. The results of multiple clinical trials have already been reported, almost exclusively involving the direct injection of stem cells. It has, however, been postulated that the efficiency of injected cells could possibly be hindered by the mechanical trauma due to the injection and their low survival in the hostile environment. It has indeed been demonstrated that cell mortality due to the injection approaches 90%. Major issues still need to be resolved and bed-to-bench followup is paramount to foster clinical implementations. The tissue engineering approach thus constitutes an attractive alternative since it provides the opportunity to deliver a large number of cells that are already organized in an extracellular matrix. Recent laboratory reports confirmed the interest of this approach and already encouraged a few groups to investigate it in clinical studies. We discuss current knowledge regarding engineered tissue for myocardial repair or replacement and in particular the recent implementation of nanotechnological approaches.

Nanoteknologien arauketa juridiko komunitarioa/The European Union regulation of nanotechnologies.

953 p.

Theoretical investigation of thermal tweezers for parallel manipulation of atoms and nanoparticles on surfaces

A major focus of research in nanotechnology is the development of novel, high throughput techniques for fabrication of arbitrarily shaped surface nanostructures of sub 100 nm to atomic scale. A related pursuit is the development of simple and efficient means for parallel manipulation and redistribution of adsorbed atoms, molecules and nanoparticles on surfaces – adparticle manipulation. These techniques will be used for the manufacture of nanoscale surface supported functional devices in nanotechnologies such as quantum computing, molecular electronics and lab-on-achip, as well as for modifying surfaces to obtain novel optical, electronic, chemical, or mechanical properties. A favourable approach to formation of surface nanostructures is self-assembly. In self-assembly, nanostructures are grown by aggregation of individual adparticles that diffuse by thermally activated processes on the surface. The passive nature of this process means it is generally not suited to formation of arbitrarily shaped structures. The self-assembly of nanostructures at arbitrary positions has been demonstrated, though these have typically required a pre-patterning treatment of the surface using sophisticated techniques such as electron beam lithography. On the other hand, a parallel adparticle manipulation technique would be suited for directing the selfassembly process to occur at arbitrary positions, without the need for pre-patterning the surface. There is at present a lack of techniques for parallel manipulation and redistribution of adparticles to arbitrary positions on the surface. This is an issue that needs to be addressed since these techniques can play an important role in nanotechnology. In this thesis, we propose such a technique – thermal tweezers. In thermal tweezers, adparticles are redistributed by localised heating of the surface. This locally enhances surface diffusion of adparticles so that they rapidly diffuse away from the heated regions. Using this technique, the redistribution of adparticles to form a desired pattern is achieved by heating the surface at specific regions. In this project, we have focussed on the holographic implementation of this approach, where the surface is heated by holographic patterns of interfering pulsed laser beams. This implementation is suitable for the formation of arbitrarily shaped structures; the only condition is that the shape can be produced by holographic means. In the simplest case, the laser pulses are linearly polarised and intersect to form an interference pattern that is a modulation of intensity along a single direction. Strong optical absorption at the intensity maxima of the interference pattern results in approximately a sinusoidal variation of the surface temperature along one direction. The main aim of this research project is to investigate the feasibility of the holographic implementation of thermal tweezers as an adparticle manipulation technique. Firstly, we investigate theoretically the surface diffusion of adparticles in the presence of sinusoidal modulation of the surface temperature. Very strong redistribution of adparticles is predicted when there is strong interaction between the adparticle and the surface, and the amplitude of the temperature modulation is ~100 K. We have proposed a thin metallic film deposited on a glass substrate heated by interfering laser beams (optical wavelengths) as a means of generating very large amplitude of surface temperature modulation. Indeed, we predict theoretically by numerical solution of the thermal conduction equation that amplitude of the temperature modulation on the metallic film can be much greater than 100 K when heated by nanosecond pulses with an energy ~1 mJ. The formation of surface nanostructures of less than 100 nm in width is predicted at optical wavelengths in this implementation of thermal tweezers. Furthermore, we propose a simple extension to this technique where spatial phase shift of the temperature modulation effectively doubles or triples the resolution. At the same time, increased resolution is predicted by reducing the wavelength of the laser pulses. In addition, we present two distinctly different, computationally efficient numerical approaches for theoretical investigation of surface diffusion of interacting adparticles – the Monte Carlo Interaction Method (MCIM) and the random potential well method (RPWM). Using each of these approaches we have investigated thermal tweezers for redistribution of both strongly and weakly interacting adparticles. We have predicted that strong interactions between adparticles can increase the effectiveness of thermal tweezers, by demonstrating practically complete adparticle redistribution into the low temperature regions of the surface. This is promising from the point of view of thermal tweezers applied to directed self-assembly of nanostructures. Finally, we present a new and more efficient numerical approach to theoretical investigation of thermal tweezers of non-interacting adparticles. In this approach, the local diffusion coefficient is determined from solution of the Fokker-Planck equation. The diffusion equation is then solved numerically using the finite volume method (FVM) to directly obtain the probability density of adparticle position. We compare predictions of this approach to those of the Ermak algorithm solution of the Langevin equation, and relatively good agreement is shown at intermediate and high friction. In the low friction regime, we predict and investigate the phenomenon of ‘optimal’ friction and describe its occurrence due to very long jumps of adparticles as they diffuse from the hot regions of the surface. Future research directions, both theoretical and experimental are also discussed.

Structural evolution of nanocrystalline silicon thin films synthesized in high-density, low-temperature reactive plasmas

Silicon thin films with a variable content of nanocrystalline phase were deposited on single-crystal silicon and glass substrates by inductively coupled plasma-assisted chemical vapor deposition using a silane precursor without any hydrogen dilution in the low substrate temperature range from 100 to 300 °C. The structural and optical properties of the deposited films are systematically investigated by Raman spectroscopy, x-ray diffraction, Fourier transform infrared absorption spectroscopy, UV/vis spectroscopy, scanning electron microscopy and high-resolution transmission electron microscopy. It is shown that the structure of the silicon thin films evolves from the purely amorphous phase to the nanocrystalline phase when the substrate temperature is increased from 100 to 150 °C. It is found that the variations of the crystalline fraction fc, bonded hydrogen content CH, optical bandgap ETauc, film microstructure and growth rate Rd are closely related to the substrate temperature. In particular, at a substrate temperature of 300 °C, the nanocrystalline Si thin films of our interest feature a high growth rate of 1.63nms-1, a low hydrogen content of 4.0at.%, a high crystalline fraction of 69.1%, a low optical bandgap of 1.55eV and an almost vertically aligned columnar structure with a mean grain size of approximately 10nm. It is also shown that the low-temperature synthesis of nanocrystalline Si thin films without any hydrogen dilution is attributed to the outstanding dissociation ability of the high-density inductively coupled plasmas and effective plasma-surface interactions during the growth process. Our results offer a highly effective yet simple and environmentally friendly technique to synthesize high-quality nanocrystalline Si films, vitally needed for the development of new-generation solar cells and other emerging nanotechnologies.