Thématiques de Recherche

Présentation des thématiques de recherche

L’équipe PFR a centré son projet autour des deux grandes familles de transformations chimiques dont la compréhension et la maîtrise conditionnent l’obtention de propriétés fonctionnelles d’intérêt pour les matériaux de performance et l’encapsulation :

- les procédés propres de réticulation et de fonctionnalisation des macromolécules ;

- la polymérisation réticulante de systèmes complexes.

Les projets du groupe ont été ainsi construits en intégrant un volet mécanistique (au sens large : mécanisme réactionnel, cinétique, phénomènes physico-chimiques, …) avec recours à l’étude de composés ou de milieux modèles, en vue d’une quantification des processus élémentaires ou globaux. L’échelle de dimension et le niveau de complexité de ces modèles sont définis en fonction de l’état des connaissances relatives au problème étudié. L’importance croissante des matières premières renouvelables, monomères ou polymères, s’est confirmée dans les études menées au cours des dernières années, sur les diverses finalités applicatives d’intérêt pour l‘équipe : l’encapsulation à finalité pharmaceutique ou cosmétique, les matériaux de structure ou à propriétés fonctionnelles. [1]

Microencapsulation

Les travaux de l’équipe dans le domaine de la microencapsulation ont pour objectifs la valorisation de substances naturelles, la recherche d'une biocompatibilité optimale, et la maîtrise des relations entre la structure et les propriétés des particules. Nous nous intéressons aux relations entre les aspects chimiques et physico-chimiques, les propriétés structurelles et fonctionnelles des microparticules, et les phénomènes biologiques d’où découlent des applications potentielles des particules comme vecteurs de substances actives dans les domaines pharmaceutique, cosmétique, biomédical, alimentaire. [2]

microparticules de polyphénols

Nous développons en particulier des méthodes de microencapsulation originales, basées sur une réaction de transacylation entre une protéine et un ester polysaccharidique. Ces méthodes conduisent à l’obtention de microparticules stables car formées d’un réseau covalent. Ces microparticules sont hautement biocompatibles, notamment car leur préparation ne nécessite pas d’agents réticulants bifonctionnels classiques ni de solvants toxiques. 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

La réaction de transacylation peut être déclenchée au sein d’une émulsion, pour créer des microparticules formées d’un réseau covalent protéine-polysaccharide. La modulation des paramètres de préparation permet de contrôler la structure interne des particules, pouvant être matricielle ou vésiculaire. [3]

Structure interne des microparticules

Nous avons pu relier les propriétés physicochimiques des polymères de départ aux propriétés fonctionnelles des microparticules, et étudier l’influence de la variation de la nature de l’ester polysaccharidique sur l’édification du réseau. [4]

Relation entre structure du réseau covalent et propriétés fonctionnelles des mic

Nanoencapsulation

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. [5]

Formation de nanoparticules par double émulsion

Différents types de substances actives sont ainsi encapsulées, notamment des médicaments anticancer 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). Nos activités plus récentes portent des complexes de Gadolinium inclus dans des nanoparticules préparées par gélification ionique. Nous avons montré que cette approche permettait d’augmenter significativement la sensibilité en IRM des sondes ainsi obtenues. [6]

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 (équipe Chimie de coordination de l’ICMR) et physiciens (Laboratoire de Recherche en Nanosciences, URCA)


Nanoparticules de PLGA : reconstruction 3D

Les travaux en collaboration avec le groupe « Sondes métalliques pour la détection et l’imagerie » de l’équipe Chimie de Coordination à l’ICMR se poursuivent avec l’objectif d’obtenir des nanogels portant des fonctionnalités multiples pour le domaine biomédical. Pour prolonger le temps de circulation plasmatique, les nanoparticules ont été modifiées chimiquement pour porter des groupements hydrophiles en surface tout en préservant leurs propriétés de sondes hypersensibles en IRM. [7]

Parallèlement, un travail de fonctionnalisation des polymères par des groupements fluorescents, émettant dans le vert et dans le rouge, a permis l’obtention de sondes bimodales IRM/optiques. Les nanogels portant les deux types de fluorophores sont actuellement au cœur du projet PHC Brancusi (coll. avec le Dr. Sorina Petrache, Université de Bucarest) dont l’objectif est d’évaluer par FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) la stabilité des nanoparticules dans les milieux biologiques.

Matériaux thermoplastiques à base de polysaccharides

Les matériaux biosourcés sont des alternatives prometteuses aux polymères de commodité synthétiques, en raison de leur caractère renouvelable et de leur biodégradation substantielle. Nous travaillons sur la transformation de l’amidon, peu coûteux à produire, de forte masse molaire et semi-cristallin. L’amidon natif est converti en matière thermoplastique par amorphisation, introduction de plastifiants et association à d’autres polymères biodégradables ou à des charges renforçantes. [8] Des agrafes biodégradables destinées au palissage des vignes ont ainsi été mises au point et sont commercialisées sous la dénomination Amidograf®. [9]

Agrafes biodégradables

Pour réduire le caractère très hydrophile et limiter la rétrogradation de l’amidon, nous avons traité sous faisceau d’électrons des mélanges comprenant des lignines. La sorption d’eau et la recristallisation sont limitées par le greffage covalent du polymère aromatique et les défauts de structure qui en résultent. [10] La lignine et les additifs aromatiques induisent par ailleurs un effet protecteur sur le polysaccharide soumis au rayonnement ionisant. [11]

Effet radio-protecteur d’additifs aromatiques sur les polysaccharides

L’extrusion réactive permet de synthétiser des amidons cationiques utilisés dans l‘industrie textile et la fabrication du papier [12], sans solvant et avec une grande efficacité énergétique. Ce travail se poursuit actuellement pour la modification sélective de polysaccharides et de lignines [13].

Amidon modifié par des groupes ammonium

Composites biosourcés pour le secteur de la construction

Depuis le début des années 2010, nous développons de nouveaux matériaux composites pour l’isolation thermique, acoustique et hydrique pour le domaine du bâtiment à base de résidus de pulpes de betterave sucrière et d’amidon. Nos premiers travaux réalisés en collaboration avec ont montré les excellentes qualités d’isolation thermique et acoustique du matériau obtenu mais également ses propriétés exceptionnelles de tampon hydrique permettant de réguler le taux d’humidité de l’air ambiant avec une efficacité inégalée tout en conservant une bonne résistance mécanique pour une très grande légèreté. [14]

Les travaux sur les composites à base de coproduits agricoles (pulpes de betterave, résidus ligno-cellulosiques de pressurage de raisin) se poursuivent sur la fabrication et les propriétés de briques et de parois entièrement biosourcées.

Des réseaux polymères à structures et à propriétés inédites

L’équipe s’intéresse également à l’élaboration de réseaux macromoléculaires tridimensionnels, thermodurcissables ou analogues, en vue d’une exploitation raisonnée de la réactivité de composés d’origine végétale. Des études à caractère fondamental ou plus appliqué ont été réalisées sur des formulations de composés polymérisables ou réticulables, issus de ressources oléagineuses, ligno-cellulosiques ou fermentaires. Les solutions biosourcées ainsi développées constituent des alternatives prometteuses aux matériaux pétrosourcés sujets présentant un profil sanitaire insatisfaisant.

La polymérisation radicalaire de type donneur-accepteur (D-A), mettant en jeu des dérivés vinyliques ou allyliques dérivés de composés hydroxylés et de glucides de structure variée, fait l’objet d’études mécanistiques par spectrométrie de masse afin d’évaluer la nature et l’importance relative des réactions de transfert. [15]

Des fractions de lignines et des polyphénols ont été fonctionnalisés par des groupements réactifs propargyle ou glycidyle pour conduire à des formulations réticulables par voie thermique, en vue du remplacement des résines formo-phénoliques. Les matériaux issus des précurseurs propargylés conduisent par pyrolyse ménagée à des matériaux ablatifs pour l’aéronautique et le spatial [16] Les réseaux issus des précurseurs époxydés apportent des effets de renforcement dynamique dans les élastomères chargés. [17]

L’emploi de photoamorceurs radicalaires ou cationiques activables par exposition à des LED UV-visible (385-405 nm) apporte une seconde dimension durable à la nature biosourcée des matériaux. Un procédé original de production de fibres textiles a ainsi été mis au point en irradiant en sortie de filière un extrudat constitué de mélanges de monomères époxydés et acrylés dérivés d’huiles végétales. En fonction des profils cinétiques des polymérisations radicalaire et cationique concomitantes, il se forme des réseaux interpénétrés possédant des caractéristiques thermo-physiques originales. [18]

Etude de la formation de réseaux polymères

Des travaux ont été récemment engagés pour explorer le potentiel des lignines dans le domaine de la photolithographie à 1 ou à 2 photons, avec des résultats très encourageants en termes de résolution et de contraste. Dans le cadre d'une collaboration sur ce thème avec l'Institut Charles Delaunay, des structures tridimensionnelles submicrométriques ont été réalisées par écriture laser à 780 nm dans des films de lignines. [19]

[[i]] Thèse de K. Furtak, 2017, en collaboration avec le Dr Safi Jradi, Laboratoire de Nanotechnologie et d'Instrumentation Optique, Institut Charles Delaunay, UMR CNRS 6281, Université de Technologie de Troyes

Structures bi- et tri-dimensionnelles

Polymérisation réticulante et greffage sous rayonnement

Nos activités se poursuivent sur l’élaboration de réseaux et de matériaux composites par polymérisation réticulante sous rayonnement UV-visible ou ionisant, par voie radicalaire ou cationique. Les projets couvrent les aspects complémentaires suivants :

la synthèse et la réactivité de monomères biosourcés, [20]
les relations entre réactivité et microstructure des matrices, [21]
les interactions à l’interface fibre-matrice. [22]

Depuis fin 2019, L’équipe est partenaire du projet régional MIPPI4D [1] (3D-printing doublé d’un apport de fonctionnalités) qui a débuté en janvier 2020 auquel nous contribuons par le développement de méthodes de modification post-fabrication au moyen de traitements sous rayonnement ionisant (contrôle de la biodégradation de copolyesters biodégradables d’intérêt biomédical mis en forme par impression 3D, patterning d’hydrogels et synthèse in situ de nanoparticules de métal noble). [23]

Références

[1] Alabdul-Magid A., Bliard C., Boudesocque S., Bouquillon S., Coqueret X., Dupont L., Edwards-Lévy F., Gérard S., Guillermain C., Guillon E., Haudrechy A., Hoffmann N., Hubert J., Kowandy C., Lavaud C., Mohamadou A., Muzard M., Nuzillard J. M. , Plantier-Royon R., Rémond C., Sapi J., Sayen S., Tataru G., Renault J. H. Chimie du végétal et produits innovants à forte valeur ajoutée. Actualité Chimique 2018, 427-428, 25

[2] Edwards-Levy F., Munin-Cesar A.,Encapsulation of polyphenolics. Handbook of Encapsulation and Controlled Release 2016, 741

[3] Barbay V., Houssari M., Mekki M., Banquet S., Edwards-Levy F., Henry J. P., Dumesnil A., Adriouch S.;,Thuillez C., Richard V. et al, Role of M2-like macrophage recruitment during angiogenic growth factor therapy, Angiogenesis 2015, 18, 191 - Gubspun J.; Gires PY.; de Loubens C.; Barthes-Biesel D.; Deschamps J.; Georgelin M.; Leonetti M.; Leclerc E.; Edwards-Levy F.; Salsac, A. V. Characterization of the mechanical properties of cross-linked serum albumin microcapsules: effect of size and protein concentration, Colloid and Polymer Science 2016, 294, 1381 - Gubspun J., De Loubens C., Trozzo R., Georgelin M., Deschamps J., Edwards-Lévy F., Léonetti M. Perturbations of the flow induced by a microcapsule in a capillary tube Fluid Dyn. Res. 2017, 49, 035501

[4] Hadef I.; Roge B. Serum Albumin-Alginate Microparticles Prepared by Transacylation: Relationship between Physicochemical, Structural and Functional Properties, Edwards-Levy F. Biomacromolecules 2015, 16, 2296 - Hadef I., Omri M., Bliard B., Edwards-Lévy F. Influence of Chemically Modified Alginate Esters on the Preparation of Microparticles by Transacylation in w/o emulsions. Carbohydr. Polym. 2017, 157, 275

[5] Callewaert M., Roullin V.G., Cadiou C., Millart E., Van Gulik L., Andry M-C., Portefaix C., Hoeffel C., Laurent S., Vander Elst L., Muller R. , Molinari M. and Chuburu F. Tuning the composition of biocompatible Gd nanohydrogels to achieve hypersensitive dual T1/T2 MRI contrast agents. J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 6397 - Gheran C., Rigaux G., Callewaert M., Berquand A., Molinari M., Chuburu F., Voicu S., Dinischiotu A. Biocompatibility of Gd-Loaded Chitosan-Hyaluronic Acid Nanogels as Contrast Agents for Magnetic Resonance Cancer Imaging. Nanomaterials 2018, 8, 201-220

[6] Vander Elst L., Laurent S., Muller R.N., Berquand A., Molinari M., Huclier-Markai S., Chuburu F. Characterization of Gd loaded chitosan-TPP nanohydrogels by a multi-technique approach combining dynamic light scattering (DLS), asymetrical flow-field-flow-fractionation (AF4) and atomic force microscopy (AFM) and design of positive contrast agents for molecular resonance imaging (MRI). Nanotechnology 2017, 28, 055705.

[7] Gheran C.V., Voicu S.N., Rigaux G., Callewaert M., Chuburu F., Dinischiotu A. Biological effects induced by Gadolinium nanoparticles on Lymphocyte A20 cell line. Eur. Biotech. J., 2017, 63.

[8] Ayadi F., Bliard C., Dole P., Materials based on maize biopolymers: effect of flour components on mechanical and thermal behavior, Starch/Starke 2011, 63, p. 604 - Mikus P. Y., Alix S., Soulestin J., Lacrampe M. F., Krawczak P., Coqueret X., Dole P., Deformation mechanisms of plasticized starch, Carbohydr. Polym., 2015, 114, p. 450.

[9] Produite par La Compagnie des Agrafes à Vigne, issue des travaux du projet Matagraf, associant les partenaires INRA (UMR 614 FARE), le CNRS (UMR 7312), Fibres Recherche Développement® et Plastiques d’Argonne.

[10] Lepifre S., Froment M., Cazaux F., Houot S., Lourdin D., Coqueret X., Lapierre C., Baumberger S., Lignin incorporation combined with electron-beam irradiation improves the surface water resistance of starch films, Biomacromolecules, 2004, 1678-1686.

[11] Khandal D., Mikus P. Y., Dole P., Bliard C., Soulestin J., Lacrampe M. F., Baumberger S., Coqueret X., Tailoring the properties of thermoplastic starch by blending with cinnamyl alcohol and radiation processing: An insight into the competitive grafting and scission reactions, Radiat. Phys. Chem. 2012, 81, p. 986 - Kandhal D., Aggarwal M., Suri G., Coqueret X., Electron beam irradiation of maltodextrin and cinnamyl alcohol mixtures: influence of glycerol on cross-linking, Carbohydr. Polym., 2015, 117, p. 150 - Kandhal D., Coqueret X., Degradation of pullulan irradiated in hydro-methanolic blends: influence of cinnamyl alcohol at low absorbed dose of radiation, Carbohydr. Polym., 2020, sous presse.

[12] Ayoub A., Bliard C., Cationisation of Glycerol Plasticised Wheat Starch under Microhydric Molten Conditions, Starch/Stärke, 2003, 55, p. 297 -

[13] Milotskyi, R., Bliard, C. Carboxymethylation of Plasticized Starch by Reactive Extrusion (REX) with High Reaction Efficiency, Starch/Stärke 2018, 70, 1700275 - Milotskyi R., Szabó L., Takahashi K., Bliard C. Chemical Modification of Plasticized Lignins Using Reactive Extrusion. Front. Chem. 2019, 7, 633 - Milotskyi R., Bliard C., Tusseau D., Benoit C. Starch carboxymethylation by reactive extrusion: Reaction kinetics and structure analysis, Carbohydr. Polym. 2018, 194, 193

[14] Karaky H., Maalouf C., Bliard C., Moussa T., El Wakil N. Lachi M., Polidori G. Hygrothermal and Acoustical Performance of Starch-Beet Pulp Composites for Building Thermal Insulation. Materials, 2018, 11, 1622.

Karaky H., Maalouf C., Bliard C., Gacoin A., Lachi M., El Wakil N., Guillaume Polidori. Characterization of beet-pulp fiber reinforced potato starch biopolymer composites for building applications Const. Build. Mater. 2019, 203, 71 - Abbès B., Lacoste C., Bliard C., Maalouf C., Simescu-Lazar F., Bogard F., Polidori G. Novel Extruded Starch-Beet Pulp Composites for Packaging Foams. Materials 2020, 13, 1571

[15] Pichavant L., Harakat, D., Guillermain C., Coqueret X., Reactivity of allyl and vinyl pentosides in photo-initiated donor-acceptor copolymerization, in “Carbohydrate chemistry - Chemical and biological approaches”, Vol. 40, Pilar Rauter A., Lindhorst T., Queneau Y. Eds., Specialist Periodical Reports, RSC Publications, 2014, 270 - Pichavant L., Guillermain C., Harakat D., Coqueret X., Photo-initiated copolymerization of allyl and vinyl ethers with dialkyl fumarates: a mechanistic investigation by ESI mass spectrometry, Eur. Polym. J., 2016, 80, 99

[16] Rivières B., Defoort B., Coqueret X., Résine durcissable substitut aux résines phénoliques et ses applications, WO2017129661, 2017 ; Pouyet R., Coqueret X., Rivières B. Defoort B. Demandes de brevets en cours.

[17] Veyland A., Coqueret X., Tataru G., Composition de caoutchouc comprenant une résine à base de lignine, WO2014016344, 2014.

[18] Baillié A., Tataru G., Coqueret X., Fabrication de matières fibreuses par polymérisation de compositions liquides sous rayonnement, WO2016170278, 2016 ; Furtak-Wrona K., Kozik-Ostrówka P., Jadwiszczak K., Maigret J. E., Aguié-Béghin V., Coqueret X., Polyurethane acrylate networks including cellulose nanocrystals: a comparison between UV and EB- curing, Radiat. Phys. Chem. 2017, https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2017.04.013; Tataru G., Coqueret X. Hybrid free-radical and cationic photo-polymerization of bio-based monomers derived from seed oils – Control of competitive processes by experimental design, Polym. Chem. 2020, sous presse.

[19] Thèse de K. Furtak, 2017, en collaboration avec le Dr Safi Jradi, Laboratoire de Nanotechnologie et d'Instrumentation Optique, Institut Charles Delaunay, UMR CNRS 6281, Université de Technologie de Troyes

[20] Pichavant L., Harakat, D., Guillermain C., Coqueret X., Reactivity of allyl and vinyl pentosides in photo-initiated donor-acceptor copolymerization, in “Carbohydrate chemistry - Chemical and biological approaches”, Vol. 40, Pilar Rauter A., Lindhorst T., Queneau Y. Eds., Specialist Periodical Reports, RSC Publications, 2014, 270 - Pichavant L., Guillermain C., Harakat D., Coqueret X., Photo-initiated copolymerization of allyl and vinyl ethers with dialkyl fumarates: a mechanistic investigation by ESI mass spectrometry, Eur. Polym. J., 2016, 80, 99

[21] Krzeminski M., Molinari M., Defoort B., Coqueret X. Nanoscale heterogeneities in radiation-cured diacrylate networks: weakness or asset ? Radiat. Phys. Chem. 2013, 84, 79 - Kowandy C., Ranoux G., Walo M., Vissouvanadin B., Teyssedre G., Laurent C., Berquand A., Molinari M., Coqueret X. Microstructure aspects of radiation-cured networks: Cationically polymerized aromatic epoxy resins, Radiat. Phys. Chem. 2018, 143, 20

[22] Martin A., Defoort B., Kowandy C., Coqueret X. Interfacial layer in high-performance CFRP composites cured out-of-autoclave: Influence of the carbon fiber surface and its graphite-like properties. Composites A: Appl. Sci. Manufact. 2018, 110, 203 - Tataru G., Labbe M., Guibert K., Léger R., Rouif S., Coqueret X. Modification of flax fiber fabrics by radiation grafting: Application to epoxy thermosets and potentialities for silicone-natural fibers composites. Radiat. Phys. Chem. 2020, 170, 108663

[23] Matière Informée Programmable Pour l’Impression 4D, Fonds régional (Grand Est) de coopération pour la recherche 2020-2023

Polymères Fonctionnels et Réseaux