Thématiques de Recherche

Encapsulation

Les méthodes de microencapsulation développées dans l'équipe utilisent des substances naturelles comme constituants des membranes. Ce choix est motivé par les objectifs suivants :
· Elaborer des particules biocompatibles, utilisables comme vecteurs de substances actives dans les domaines pharmaceutique, cosmétique, biomédical, alimentaire,
· Préparer des microcapsules douées de propriétés spécifiques par réticulation de biopolymères ayant une activité biologique,
· Développer des méthodes permettant, dans des conditions ménagées, d'encapsuler des cellules vivantes et des microorganismes.
Nous avons choisi d'étudier des procédés basés sur la réticulation de biomolécules, car les liaisons covalentes impliquées dans la membrane offrent une garantie de stabilité. De plus, ces procédés présentent l'avantage de permettre une modulation très souple des propriétés des microcapsules par variation des divers paramètres de réaction.

Partant de la méthode classique de polycondensation interfaciale utilisant une diamine et un dichlorure d'acide, nous avons mis au point une méthode de microencapsulation par réticulation interfaciale de biopolymères, polysaccharides et protéines, au moyen de dichlorures d'acide. La méthode fait l'objet d'un développement industriel dans le domaine de la cosmétique. D'abord appliquée au collagène, elle a été ensuite étendue à divers autres substrats (protéines végétales, oligosaccharides…).

Nous sommes également à l'origine de nouvelles méthodes permettant une production industrielle de capsules de biopolymères stables et hautement biocompatibles, évitant l’emploi d’agents réticulants. Elles sont basées sur une réaction de transacylation entre une protéine et un alginate, conduisant à un film stable constitué de l'association des deux biopolymères par des liaisons amide. Une des variantes utilisant cette réaction répond à un problème jusque là non résolu : entourer d'une membrane stable des billes d'alginate gélifié renfermant du matériel vivant.

Réaction de transacylation
Préparation de billes
Billes d'alginate à membrane alginate-protéines de soja

Une autre variante de la méthode, développée industriellement, implique une étape d’émulsification. Elle conduit à des microparticules stables, biodégradables et particulièrement biocompatibles, à partir de protéines variées associées à l’alginate.

microparticules

Parallèlement aux activités de microencapsulation, nous développons des systèmes nanoparticulaires destinés à des fins thérapeutiques et diagnostiques. Notre approche consiste à n’utiliser que des polymères et solvants biocompatibles, dans le but d’une utilisation potentielle en thérapeutique. Différents procédés sont utilisés, notamment en fonction de la nature hydrophile ou lipophile de la ou des substances à encapsuler, de la taille requise pour les nanoparticules et de la cinétique de libération souhaitée. Nous utilisons notamment les techniques d’émulsification instantanée – diffusion de solvant, de double émulsion – diffusion de solvant et de gélification ionique.

Formation de nanoparticules par double émulsion

Nous encapsulons différents types de substances, notamment des anticancéreux comme par exemple, l’Etoposide (ce qui a permis de diminuer par dix les doses administrées pour un même taux de survie, comparativement à la substance active libre) ou des complexes de Gadolinium dans des nanoparticules préparées par gélification ionique (aboutissant à une augmentation de la sensibilité en IRM des sondes ainsi obtenues).

La caractérisation physico-chimique des nano-objets obtenus, réalisée au laboratoire, est complétée par des études avec l’aide de nos collègues chimistes de coordination (groupe GCC, ICMR, URCA), physiciens (LMEN, URCA), biologistes (SFR Cap Santé, URCA) et radiologues (Service de radiologie du CHU de Reims).


Nanoparticules de PLGA : reconstruction 3D

Les matériaux issus des agro-ressources

L’utilisation de la biomasse comme source de matière première alternative suscite de nombreux travaux dans les différents secteurs de la chimie, notamment pour obtenir des polymères à base de carbone renouvelable. Les voies possibles sont néanmoins très variées. Elles méritent d’être évaluées par des études approfondies qui permettront de retenir les options les plus pertinentes au regard de critères multiples (techniques, économiques, environnementaux). Notre contribution à cette thématique générale explore deux voies :

middot; La synthèse et l’étude de monomères à base végétale, adaptés à une polymérisation en chaîne (de type radicalaire essentiellement) après un aménagement fonctionnel minimal.

middot; La modification chimique de l’amidon par des procédés propres pour conférer aux matières thermoplastiques obtenues des propriétés améliorées (caractéristiques mécaniques, vieillissement physique, hydrophilie réduite).

Monomères d’origine végétale

L’utilisation de la biomasse comme source de matière première alternative semble être une voie économiquement et écologiquement prometteuse pour obtenir de nouveaux polymères de synthèse. Les voies possibles sont néanmoins très nombreuses. Elles méritent d’être explorées et évaluées par des études approfondies en vue de retenir les options les plus pertinentes.

Nous nous intéressons notamment à la polymérisation radicalaire de type donneur-accepteur (D-A), mettant en jeu des dérivés vinyliques ou allyliques dérivés de composés hydroxylés et de glucides.

Schéma de copolymérisation Donneur-Accepteur

Les méthodes de modification (économie d’atome, conditions douces et propres) sont envisagées et les monomères modèles correspondants, d’une complexité de structure croissante, sont étudiés du point de vue des cinétiques de polymérisation.

Monomères donneurs et accepteurs sélectionnés

Nous avons pu mettre en évidence une corrélation entre la vitesse de polymérisation initiale et le paramètre de Hansen δH, associé à l’aptitude du monomère donneur à créer des liaisons hydrogène.

L’étude de la microstructure des copolymères est réalisée en associant données RMN à haut champ avec la spectrométrie de masse (Q-ToF, MALDI) en vue de la détermination des mécanismes principaux de croissance et de transfert en présence de réactifs multifonctionnels.

Spectre de masse ESI-MS du copolymère DEF-EVE

Ces acquis sur la réactivité sont exploités pour évaluer de manière comparative des dérivés de composés naturels isolés par fractionnement (monomères dérivés d’oligosaccharides, de lignines), voire après fermentation (monomères dérivés de diacides insaturés).

L’approche menée par l’équipe « Polymères sous rayonnements » vise également à établir des relations entre la structure des monomères et les propriétés des polymères et réseaux obtenus.

Polymérisation réticulante d’un monomère

Matériaux à base de polysaccharides

Nos travaux dans ce domaine ont pour objectif la substitution du carbone fossile dans les matières plastiques de commodité ou des polymères de spécialité par des macromolécules issues de la biomasse.

Ainsi, deux programmes de recherche ont été conduits dans les quinze dernières années : « Biopolymères » (1994-1999) et « Amival » (2000-2009) dans le cadre des Contrats de plan Etat - Région Champagne Ardenne.

Une étude de synthèse de nouveaux matériaux glyco-polymères a partir de dérivés hydrates de carbone modifiés sera réalisée sur la période 2010-2013 au travers d'une thèse dans le cadre du programme CPER 2007 2013 " MATOREN ".

Le projet LignoStarch porte sur la modification de l'amidon amorphisé, par incorporation de lignines ou de leurs analogues, couplée à des traitements par des procédés propres et innovants (rayonnement ionisant, traitement enzymatique, extrusion réactive). Les modifications structurales et les changements de propriétés seront étudiés en mettant l'accent sur les problèmes spécifiques qui limitent le développement des matériaux amylacés comme substituts des matières plastiques de synthèse : propriétés mécaniques insuffisantes, forte hydrophilie, tendance à la rétrogradation. Les principaux points du programme couvrent i) la modification de l'architecture moléculaire de l'amidon par le contrôle du greffage des lignines et des coupures de chaine (influence sur les propriétés mécaniques), ii) le contrôle des propriétés thermodynamiques des mélanges (masse, surface) en relation avec la nature, la composition et la localisation des additifs "lignines", iii) l'effet de l'orientation (locale, macroscopique) ainsi que des effets thermo-hydriques associés à la mise en forme et au vieillissement, sur les propriétés physiques et mécaniques. Les matériaux obtenus feront l'objet d'évaluations (performances, biodégradation, cycle de vie).

La finalité du projet LignoStarch est d'améliorer les propriétés physiques et d'usage de matériaux d'origine naturelle afin de permettre un élargissement décisif de leurs domaines d'application. On se propose de combiner deux constituants macromoléculaires issus de la biomasse en traitant leur mélange au moyen des procédés propres cités plus haut pour obtenir de nouvelles propriétés. Le programme scientifique vise :

middot; à identifier et quantifier les mécanismes de scission, greffage et réticulation induits au sein des mélanges amidon-lignines par les traitements,
· à établir les relations entre les caractéristiques moléculaires (masses molaires moyennes, distribution, branchements) des polysaccharides et leurs propriétés physiques et mécaniques à la rupture,
· à approfondir les connaissances relatives à la thermodynamique et à la morphologie des mélanges amidon-lignines en vue d'en maîtriser les propriétés de masse et de surface,
· à étudier puis à exploiter les possibilités de mise en forme bien contrôlée (orientation, profils therm.) sur les performances et leur durabilité,
· à valider le bien-fondé global des approches proposées en réalisant une évaluation du cycle de vie.

Chimie sous rayonnement

Les réactions induites par les rayonnements UV-visible ou ionisants sont des méthodes de choix pour élaborer des matériaux de structure à propriétés spécifiques (composites haute performance, thermoplastiques biodégradables à partir d’agroressources), matériaux fonctionnels structurés à différentes échelles de dimension en vue d'applications analytiques, biomédicales, électroniques, optiques, ….

La démarche suivie au laboratoire associe une combinaison de méthodes d'analyse, macroscopiques et microstructurales, permettant l'investigation des mécanismes physiques ou chimiques contrôlant la fonctionnalité, que celle-ci soit de type chimique, de type physique ou d'usage. Le suivi cinétique des réactions tient une place importante dans nos travaux.

  • Polymérisation de multiacrylates sous rayonnement ionisant
Mise en évidence de l’effet Trommsdorff
  • Photopolymérisation d’époxydes sous lumière visible amorcée par des amorceurs photolatents de type cyclopentadienyl fer (II) arene
Réaction de photolyse d’un complexe cyclopentadienyl fer (II) arene
  • Modification de polysaccharides par greffage radicalaire sous rayonnement ionisant
Greffage de l’allylurée sur l’amidon amorphisé

Polymères Fonctionnels et Réseaux