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31326 Castanet Tolosan cedex - France

Dernière mise à jour : Mai 2021

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Biopolymères Interactions Assemblages

Assemblages nanostructurés (NANO)

Membres de l'équipe - Contexte et objectifs - Axes de recherche -
Méthodes et Equipements - Publications - Résultats marquants - Brevets

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Membres de l'équipe

Animatrice : Isabelle Capron

Membres permanents : Isabelle Capron, Bernard Cathala, Nadège Leray, Céline Moreau, Denis Renard, Ana Villares, Pierre Sartelet, Hugo Voisin

Doctorants :    Aurore Delvart, Lisa Lopes Da Costa

CDD  et Post-Docs :  Francesco D'Acierno, Athénaïs Davantès, Margaux Grellier, Géraldine Rangell

Thèses soutenues au cours des 5 dernières années : Aicha Ait Saïr (2022), Rémy Cochereau (2021), Gaëlle Gauthier(2021), Somia Haouache (2020),  Amani Chalak (2020), Zahraa Jaafar (2019), Raluca Nastase (2019), Laëtitia Couret (2017), Chloé Amine (2017) 

Post-docs récents : Malika Talantikite, Clara Jimenes Saelices, Somia Haouache, Dafne Musino

Contexte et objectifs

L’équipe se positionne sur les nanotechnologies et les biopolymères végétaux, avec une focalisation principale sur les nanocelluloses, pour la mise en œuvre de matériaux biosourcés. L’équipe développe des matériaux innovants et durables, présentant des fonctionnalités similaires voire supérieures à leurs analogues pétro-sourcés. Il s’agit de contrôler la structure d'un panel de nanoparticules plateformes de morphologie et chimie de surface variées en ciblant des modifications par adsorption d'autres polymères, des modifications utilisant des stratégies présentant peu d’impacts environnementaux, des procédés peu énergivores, sans solvant, ou encore des modifications chimiques et enzymatiques ciblées.

Contexte equipe

Une attention particulière est attachée à l’impact des milieux denses, pour explorer les comportements d'organisation à longue distance induits par la forte concentration, ou l'influence sur la diffusion des molécules telles que des enzymes en milieu contraint avec l’objectif de maitriser et ajuster la fonctionnalité des matériaux. L'ensemble de ces modifications et modèles de structure doit permettre d'élaborer des assemblages aux échelles nanométriques pour monter en échelle en vue de l’élaboration de matériaux fonctionnels avec la création de structures originales comme des matériaux programmables tout en poursuivant l’étude des matériaux déjà maitrisés par l’équipe (émulsions, films fins, hydrogels).

Nos réflexions concernent également la prise en compte de l'ensemble des étapes liées à la génération et à la fin de vie des matériaux et donc d'intégrer nos travaux dans la bio-économie au travers d'une approche systémique sur l'ensemble du cycle de vie d'un matériau.

  

Mots clefs : Nanosciences, Auto-assemblages, Biopolymères, Nanocelluloses, Emulsions de Pickering, Films multicouches, Microfluidique, Assemblages biomimétiques, Analyses de surface

 

Axes de recherche

L’activité de l’équipe NANO se décline autour de trois priorités scientifiques :

1. Concevoir des briques élémentaires à façon

Contrôler la variabilité structurale des biopolymères, nanocristaux, nanofibres

Nous étudions la modification d'hémicelluloses (xyloglucanes, xylanes, glucomannanes,... ) par des procédés physiques (ultrason) ou enzymatiques pour moduler des paramètres tels que la masse molaire ou la structure moléculaire (taux de substitution et distribution des substituants des hémicelluloses par exemple). Au-delà des nanocristaux de cellulose natifs, d'autres structures cristallines (cellulose II) sont envisagées ; nous nous intéresserons également à des nanoparticules variant en morphologie (nanofibres de cellulose) ou en chimie de surface (nanocristaux / nanofibres de chitine).

NFC-NCC
Voies de modification surfacique des nanocelluloses

Nous nous focalisons sur trois stratégies de modification des nanocelluloses : (i) l’adsorption physique de biopolymères (hémicelluloses de variabilité structurale contrôlée)  (ii) la modification enzymatique (dont les enzymes LPMO, les laccases, les lipases, etc.), (iii) la fonctionnalisation chimique ciblée régio-spécifique (surface ou extrémité réductrice) par des procédés moins énergivores et moins toxiques (multi-fonctionnalisation simultanée) afin de diriger la modification pour des objets à haute valeur ajoutée tel que des matériaux programmables.

modif surface
Particules hybrides

Nous associons les nanoparticules d’origine biologique (cellulose ou chitine) à une fraction faible d’autres particules, généralement inorganiques, porteuses de propriétés spécifiques accessibles en surface. Les nanocristaux servent ainsi de substrat pour la nucléation et la croissance contrôlées de nanoparticules telles que Ag, TiO2, CuO, etc. Ce type de modification utilise les principes de l'approche Safer-by-design visant à minimiser les risques pour la santé humaine et l'environnement.

particle hybride

2. Assemblages en milieu dense

Nous explorons la séparation de phase, les organisations à longue distance (alignement), la diffusion de petites molécules et l'hydratation en analysant les conséquences notamment sur les propriétés rhéologiques/mécaniques et la réactivité enzymatique avec :

En 2 Dimensions

La compréhension des processus d'adsorption de biopolymères (cellulose, hémicelluloses, gomme arabique, dextrane) sur des surfaces et l'élaboration de films fins multicouches en se focalisant sur i) l'effet de la distribution des charges et de la structures des biopolymères sur l'hydratation pour sonder des propriétés mécaniques ii) la construction de films multicouches à structure modulable ou  iii) la maitrise de la structuration asymétrique de briques élémentaires (films en gradient ou multi-composant) pour la fabrication de matériaux stimulables ou d'actuateurs.

Assemblage 2D
En 3 Dimensions

L’auto-assemblage dirigé des biopolymères permet des constructions anisotropes tels que l’alignement des nanocristaux (cristaux liquides) ou des nanofibrilles de cellulose (cryogels orientés par freeze-casting). Ces constructions vont permettent i) d’appréhender les organisations à longue distance en fonction de différents facteurs (densité de charge, hydratation…), ii) d’étudier l’impact d'un milieu contraint sur la diffusion de petites molécules telles que des enzymes ou sur les propriétés mécaniques et de sorption des matériaux (cryogels). L'outil micro et millifluidique permet l'étude sur des volumes raisonnables de phases concentrées dans des gouttes mono- ou multiphasiques. Ces microréacteurs seront utilisés pour deux objectifs : sonder les dynamiques de séparation de phase en lien avec l'activité enzymatique et suivre les possibles variations de l'activité enzymatique dans un milieu dense organisé de type cristal liquide.

Assemblages 3D

3. Matériaux durables fonctionnels 

L'expertise développée dans l'équipe sur les briques élémentaires fonctionnelles et modes d'assemblages dirigés est déclinée pour l’élaboration de matériaux innovants. Outre la mise en œuvre de matériaux biosourcés avec des fonctionnalités attendues (stabilité interfaciale, alignement, gélifiant...), l'ambition est de développer la multifonctionnalité voire tendre vers des matériaux qui modifient leur comportement en fonction de leur histoire. L'autre ambition est de s'interroger globalement sur l’impact environnemental et économique des matériaux que nous produisons sur certaines étapes du cycle de vie. 

Matériaux fonctionnels / multifonctionnels

(i) Emulsions (dont émulsions de Pickering), mousses: stabiliser l'interface par des nanoparticules fonctionnelles, modifiées chimiquement ou hybrides, pour des dispersions biphasiques aux propriétés photo-catalytiques, biocides ou pesticides ; modifier la nature des phases dispersées ou continue ; jouer sur la complexité de l'interface (systèmes multicouches) et la multi-encapsulation pour des relargages programmés).

Materiaux fonctionnels_emulsions

(ii) Hydrogels constitués de biopolymères ou de mélanges biopolymères/nanoparticules : comprendre les mécanismes de gélification notamment dans le cas de mélanges binaires ou ternaires incluant des polymères et des nanoparticules ; viser des propriétés mécaniques ajustables et des propriétés stimulables (thermosensibles) ; encapsulation de cellules souches dans des hydrogels injectables pour les traitements ostéo-articulaires.

Materiaux fonctionnels_Hydrogels

(iii) Matériaux poreux ultralégers (cryogels, aérogels, mousses) à base de nanocellulose et biopolymères avec des propriétés mécaniques performantes tout en préservant des capacités réversibles de sorption à l’eau (effet éponge) ; comprendre les interactions mises en jeu entre les biopolymères lors du processus de fabrication (congélation des dispersions aqueuses, mobilité des polymères et de l'eau).

Materiaux fonctionnels_Aerogels
Matériaux programmables

Les actionneurs fabriqués par assemblage contrôlé sont modélisés afin d'établir une relation entre la structure et la réponse aux stimuli. L'objectif est de développer des modèles qui décrivent les réponses en fonction des paramètres structuraux (dimensions, composition, distribution des groupements stimulables) afin de prédire le comportement des matériaux et de définir les combinaisons de composants pour obtenir des multi-réponses contrôlées (programmation des cycles d'activation/désactivation).

Materiaux Programmables_actionneurs
Approche systémique de l'élaboration de matériaux biosourcés

La conception de matériaux biosourcés, au-delà des nécessaires performances fonctionnelles, doit également intégrer différents aspects garantissant des services socio-économiques tels que l'innocuité des matériaux envers les hommes et l'environnement (critère sensible dans le cas des nanomatériaux), la durabilité des ressources utilisées, la prise en compte voire la programmation de la fin de vie. Nous travaillons également à la construction d'indicateurs de durabilité permettant d'évaluer l'utilisation de différentes biomasses, procédés, valorisation économique et cycle de vie des matériaux.

Dans chaque cas, le cœur de l’activité de l’équipe est centré sur l’élaboration des matériaux, le développement de stratégies de structuration et la caractérisation des architectures. L’évaluation des propriétés est réalisée en collaboration interne avec en particulier la plateforme BIBS (RMN, microscopie, infrarouge) ou externe à BIA.

  

Méthodes et équipements

L’équipe dispose de différents appareils permettant la préparation des échantillons (centrifugeuses, homogénéisateur haute pression, diafiltration, lyophilisateur, appareil à ultrasons, rotor stator, etc.) et de dispositifs microfluidique et millifluidique avec tous les équipements nécessaires à la réalisation de circuits en PDMS. Nous serons prochainement équipés d’une salle propre pour toutes les activités relatives à la lithographie molle.

Pour ce qui concerne la thématique « Assemblages », des équipements ont été conçus à façon pour élaborer des surfaces (spin-coating, casting) et des matériaux (établissement des diagrammes de phases pour les hydrogels, système de congélation dirigée pour les cryogels). Nous sommes également équipés d’une presse à papier et de son sécheur.

Nous avons des équipements d’analyse des interactions de surface, à savoir des microbalances à cristal de quartz (QCM-D E4 et E1, QSense) couplées à un ellipsomètre spectroscopique (M2000 U Woolman) et un appareil SPR (BIAcore X100). Concernant la caractérisation des biopolymères et des matériaux, nous possédons un spectroscope UV (Serlabo UVS600), une HPSEC (Omnisec Malvern), 3 microscopes Olympus (dont 2 inversés), avec modes polarisation croisée et en fluorescence. Nous avons récemment développé un équipement de lévitation acoustique.

Voir aussi

Publications

Résultats marquants

Brevets

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