Fonctionnalisation de nanofibrilles de cellulose pour le développement de dispositifs médicaux biosourcés

Functionalization of cellulose nanofibrils for the development of biobased medical devices

• Auteur / Autrice : Hippolyte Durand
• Direction : Julien Bras, Naceur Belgacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 08/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés pour la bioraffinerie, les matériaux bio-sourcés et l’impression fonctionnelle (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Roberta Bongiovanni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisa Zeno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eva Malmström Jonsson, Timo Laaksonen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collagène

Bactéries -- Effets des médicaments

Nanofibres

Nanocellulose

Mots clés libres

Biosourcé

Fonctionnalisation

Médical

Nanocellulose

Functionalization

Biobased

Nanocellulose

Medical

Résumé

Au niveau académique et industriel, les nanocelluloses connaissent un engouement toujours grandissant. Ce projet de thèse explore la modification chimique des nanofibrilles de cellulose (CNF) pour des applications médicales. Des drogues et prodrogues de principes actifs (PA) ont été liées de manière covalente ou adsorbées sur des films ou des suspensions de CNF. Pour l’immobilisation covalente, une première stratégie d’estérification en milieu aqueux a été utilisée sur des films de CNF. Les propriétés antibactériennes contre des bactéries à gram positif et à gram négatif, ainsi que l’activité par contact prolongée de ces films, ont été démontrés. La seconde stratégie a porté sur la modification des suspensions de CNF au travers d’une procédure multi-étape (amidation puis chimie click), à nouveau en phase aqueuse. Des outils de caractérisation innovants comme la résonance magnétique nucléaire (RMN) dopée par polarisation dynamique nucléaire (PDN), ont permis de compléter les techniques classiques pour prouver le succès du greffage chimique. L’adsorption de PA sur les films et suspensions de CNF a été menée en parallèle de l’immobilisation covalente. Ensuite, les films de CNF avec des PA greffés ou adsorbés ont été utilisés pour développer des dispositifs médicaux pour application cutanée. Quant aux suspensions de CNF avec PA greffé ou adsorbé, elles ont été intégrées à des matrices de collagène pour créer de nouveaux prototypes de réparation pariétale. Leur activité antibactérienne et leurs propriétés de relargage contrôlé confirment l’intérêt de ces composites pour le design de dispositifs médicaux innovants.Mot-clés: nanocellulose, nanofibrilles de cellulose, fonctionnalisation, dispositif médical, activité antibactérienne, relargage contrôlé

In line with the ever-increasing academic and industrial interest for wood derived nanocellulose, the present work investigated the chemical surface modification of cellulose nanofibrils (CNFs) for biomedical application. Drugs and pro-drugs of active principle ingredients (APIs) were covalently immobilized or adsorbed onto CNFs films or suspensions. For covalent immobilization, the first strategy selected calls for water-based and single step esterification of CNF films. The resulting materials demonstrated antibacterial activity against both gram-positive and gram-negative bacterial strains, with a prolonged contact-active effect. In the second strategy, CNFs suspensions were modified through a multistep reaction, involving amidation and click chemistry, still water-based. Highly innovative characterization tools, such as dynamic nuclear polarization (DNP) enhanced nuclear magnetic resonance (NMR), complemented well-established techniques to confirm the success of grafting. In parallel to covalent immobilization, an adsorption strategy was also adopted, on both CNFs films and suspensions. Then, the CNF films with grafted or adsorbed APIs were used for preparing 100% CNF medical devices for topical applications. Another component of this work used CNF suspensions with grafted or adsorbed APIs were embedded in collagen matrices to prepare model medical device of soft tissue repair implants. Antibacterial activity against both aerobic and anaerobic bacteria, together with controlled release properties were assessed confirming that such composites present the expected active properties, and can be used for the design of innovative medical devices.Key words: nanocellulose, cellulose nanofibrils, functionalization, medical devices, antibacterial activity, drug release