Fonctionnalisation de structures de nanocellulose en fluide supercritique pour des applications de pansements antimicrobiens

Nanocellulose-based materials functionalized in supercritical CO2 for antimicrobial wound dressing applications

• Auteur / Autrice : Clémentine Darpentigny
• Direction : Bruno Jean, Julien Bras
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des polymères
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches sur les macromolécules végétales (Grenoble ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Jean, Kristin Syverud, Falk Liebner, Tatiana Budtova, Martine Demeunynck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kristin Syverud, Falk Liebner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs médicaux stériles

Pansements et bandages

Mots clés libres

Nanocellulose

Cryogels

Aérogels

CO2 supercritique

Fonctionnalisation

Activité antimicrobienne

Nanocellulose

Cryogels

Aerogels

Functionalization

Supercritical carbon dioxide

Antimicrobial activity

Résumé

Dans un contexte où la demande en matériaux médicaux innovants augmente et où la question environnementale devient une préoccupation majeure, l’objectif du projet a été de préparer des pansements antimicrobiens par la voie la plus verte possible. Pour cela, les nanocelluloses ont été retenues comme briques de base biosourcées et biocompatibles pour le design d’architectures poreuses et leur fonctionnalisation par des agents antimicrobiens a été ensuite entreprise en milieu CO2 supercritique (CO2sc) utilisé comme alternative aux solvants organiques en tirant profit de ses spécificités telles qu’une diffusivité élevée, une élimination aisée du solvant et des réactifs résiduels et une compatibilité avec les matériaux fragiles. Ainsi, des structures 2D et 3D, nanopapiers, cryogels et aérogels, ont été préparées à partir de nanofibrilles (NFC) et de nanocristaux (NCC) de cellulose et présentent des propriétés variées en termes de porosité, morphologie et surface spécifique. Dans le but d’introduire une fonction antibactérienne, les cryogels préparés à partir de nanocelluloses de chimie de surface variées ont été dans un premier temps imprégnés en CO2sc d’un antibiotique synthétique, la ciprofloxacine. Les cryogels imprégnés présentent une activité antibactérienne contre les bactéries Gram-positive et Gram-négative. Ensuite, quatre matériaux de surface spécifique croissante tous préparés à partir de NFC ont été imprégnés avec une molécule issue d’huiles essentielles, le thymol. Les résultats montrent un contrôle direct de la quantité imprégnée avec la surface spécifique qui conduit dans le cas des cryo- et aérogels à de bonnes propriétés antimicrobiennes contre deux types de bactéries et une levure. La seconde stratégie de fonctionnalisation a porté sur le greffage covalent d’un silane aminé antimicrobien en CO2sc. Des méthodes d’analyse de surface (spectrométrie photoélectronique X, angle de contact et potentiel zêta de surface) ont permis de confirmer le succès du greffage sur les nanopapiers. Les propriétés antibactériennes par contact des nanopapiers et cryogels greffés ont été confirmées. Ces résultats sont prometteurs pour l’élaboration en conditions supercritiques de dispositifs médicaux antimicrobiens bio-sourcés et biocompatibles.

In a context where the need for innovative medical devices is increasing and the environmental issue is becoming a major concern, the objective of the project the aim of the project was to prepare antimicrobial wound dressings using the greenest possible way. For this purpose, nanocelluloses have been chosen as bio-based and biocompatible building blocks for the design of porous architectures and their functionalization with antimicrobial agents was then undertaken in supercritical CO2 medium (CO2sc) used as an alternative to organic solvents and by taking advantage of its specificities such as high diffusivity, easy removal of solvent and residual reagents and compatibility with fragile materials. Thus, 2D and 3D structures, nanopapers, cryogels and aerogels, were prepared from cellulose nanofibrils (CNFs) and nanocrystals (CNCs), and exhibited various properties in terms of morphology, porosity and specific surface area. In order to introduce antibacterial functionality, cryogels prepared from nanocellulose with varied surface chemistries were impregnated in scCO2 with a synthetic antibiotic, ciprofloxacin. Impregnated cryogels exhibited antibacterial activity against both gram-negative and gram-positive bacterial strains. Then, four materials of increasing specific surface area, all prepared from CNFs, were impregnated with an essential oil molecule, thymol. Results show a direct relationship between of the amount of impregnated molecules and the specific surface that leads in the case of cryo- and aerogels to good antimicrobial properties against two types of bacteria and yeast. In a second strategy, covalent grafting of CNFs structures in supercritical CO2 was investigated with a novel antibacterial aminosilane. Surface analysis characterizations methods (X-ray photoelectron spectroscopy, contact angle and surface zeta potential analysis) confirmed the successful grafting on nanopapers. The contact active properties of grafted nanopapers and cryogels were assessed. These results are very promising for the design of antimicrobial bio-based and biocompatible medical devices using supercritical conditions.