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Biopolymères Interactions Assemblages

Axes de recherches NANO

Systèmes biomimétiques

Nanocristaux de cellulose
modèle biomimétique

L’objectif de cette thématique est de construire des assemblages pouvant mimer des propriétés des parois végétales (associatives, réactivités, mécaniques,… ) tout en contrôlant à la fois la composition et l’organisation des assemblages. Parmi les résultats  marquants, on peut citer ceux obtenus dans le cadre de la thèse de Carole Cerclier qui se focalise sur les interactions entre nanocristaux de cellulose et xyloglucane, et leur structuration en couches minces par dépôts alternés. L’étude de la croissance des films et l’effet de la concentration des solutions de xyloglucane a permis de montrer que la croissance des dépôts et la structuration des films (épaisseur, morphologie) dépendent fortement des régimes de concentration du xyloglucane. Ces résultats apportent des éléments de compréhension sur les mécanismes d’interaction à l’échelle nanométrique entre ces deux polysaccharides issus des parois végétales.

Une nouvelle thématique biomimétique est en émergence dans l’équipe à travers la modélisation des flux de sèves par des circuits microfluidiques aussi bien pour le transfert de la sève brute (xylème) que dans le cas de la sève élaborée (phloème).

    

Particules micro et nanostructurées fonctionnelles

L’élaboration de particules micro et nanostructurées à base de biopolymères d’origine agricole se décline en deux items distincts au sein de l’équipe : la fabrication de particules gélifiées de biopolymères de tailles nano et micrométriques par microfluidique et la formation d’émulsion de Pickering à base de nanocristaux de cellulose.

Particule d'alginate obtenue par microfluidique

Du fait même de la méthode de fabrication, les particules obtenues par microfluidique sont d’une monodispersité inaccessible par d’autres techniques. De plus, la versatilité de la fabrication des circuits donne accès à une grande variété de particules de structures très élaborées et dont certaines ne peuvent pas être obtenues par d’autres voies. La combinaison de potentialité de la microfluidique et les propriétés spécifiques des biopolymères (alimentarité, biocompatibilité, caractéristiques physicochimiques) permettront d’ouvrir de nouvelles voies d’application des ressources agricoles.  Nous avons notamment développé des particules de forme atypique en forme de beignet (ref aiping) ou bien encore des particules Janus (particules chimiquement dissymétriques).

Mousse solide issue d'émulsion de Pickering

L’autre sujet portant sur des particules micro et nanostructurées concerne la fabrication d’émulsions stabilisées par l’adsorption de nanoparticules à l’interface eau/huile. Cette classe d’émulsion dite de « Pickering » (son inventeur) présente une stabilité cinétique remarquable compte tenu du caractère coopératif de l’adsorption. Nous avons mis en évidence la possibilité de fabriquer des émulsions de Pickering très stables à partir de nano-cristaux de polysaccharides. Les cristaux s’adsorbent à l’interface des phases hydrophiles/hydrophobes sans fonctionnalisation de surface et stabilisent l’émulsion. Les assemblages obtenus ouvrent des perspectives importantes pour la réalisation de divers matériaux (emulsions sèches, emulsions à haute phase interne, mousse, …). Ces travaux ont fait l’objet de deux dépôts de brevets.

   

Films fins et composites biosourcés

Film semi-réflectif. Variation de la couleur structurale en fonction de l'épaisseur
film enzymatique

La méthode de fabrication de films fins nanostructurés par spin-coating séquentiel a été mise à profit pour élaborer des systèmes de détection d’activités enzymatiques. En effet, dans des conditions de croissance choisies, la structuration du film cellulose/xyloglucane induit l’apparition de couleurs (couches semi-réflectives). Ces films présentent une susceptibilité aux enzymes de type endoglucanases; l’action de l’enzyme faisant disparaître la coloration du film, le dispositif permet donc la détection de son activité. Les premiers résultats montrent une amélioration de la sensibilité de détection d’un facteur 100 par rapport à des méthodes de détections enzymatiques classiques. Le principe a été étendu à d’autres polymères que la cellulose et a fait l’objet d’un dépôt de brevet.

Par ailleurs, nous avons développé de nouvelles surfaces de biopolymères organisées aux échelles micrométriques et nanométriques par une structuration assistée par voie enzymatique. La structuration micrométrique est réalisée par une mise en contact et impression des motifs (microcontact printing) par une enzyme greffée sur un timbre de PDMS avec une couche de biopolymères adsorbés sur un support. La méthodologie choisie est à la fois simple de mise en oeuvre et atteint des résolutions tout à fait importantes et compétitives vis-à-vis d’autres méthodes puisque le passage entre les zones dégradées et non dégradées se fait en moins de 50 nm et cette résolution peut être propagée sur des distances centimétriques. Les propriétés associatives des surfaces obtenues sont en cours d’étude.