Composites intelligents à base de biopolymères avec nanoparticules magnétiques fonctionnalisées et évaluation de leur biocompatibilité

Biopolymer-based smart sensitive composites with functionalized magnetic nanoparticles and their evaluation of biocompatibility

• Auteur / Autrice : Alberto Varela Feijoo
• Direction : Alain Ponton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cassagnau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Cassagnau, Socorro Castro, Dominique Dupuis, Armelle Baeza-Squiban, Philippe Djemia, Tetsuharu Narita
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Socorro Castro, Dominique Dupuis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Biopolymères

Matériaux hybrides

Nanoparticules magnétiques

Hydrocolloïdes

Mots clés libres

Hydrogel

Nanoparticules

Polymère

Composite

Magnétorhéologie

Biocompatibilité

Viscoélasticité

Hydrogel

Nanoparticles

Polymer network

Composite

Magnetorheology

Biocompatibility

Viscoelasticity

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'élaborer et d'étudier à différentes échelles des matériaux magnéto-stimulables afin de mieux comprendre leurs propriétés en vue d'applications potentielles en ingénierie tissulaire. Nous proposons une méthodologie d'élaboration basée sur des matrices de polymères de différentes natures contentant des nanoparticules magnétiques (NPMs) de maghémite (γ-Fe2O3) fonctionnalisées. La stratégie est une méthode ex-situ dans laquelle des solutions aqueuses de polymères et des dispersions de NPMs sont préparées séparément puis mélangées avant une réticulation pour élaborer des hydrogels nanocomposites. Les NPMs de maghémite synthétisées sont hautement cristallines et fonctionnalisées soit par greffage covalent avec un double ligand (l'acide 3-Aminopropylphophonique) portant une change positive par ionisation d'une fonction amine soit par adsorption d'ion citrate chargé négativement. Deux polymères ont été choisis, l'un neutre, l'alcool polyvinylique, l'autre de nature polyélectrolyte avec une charge négative, l'alginate de sodium. Leur conformation en solution aqueuse a tout d'abord été étudiée afin de déterminer la gamme de concentration pour laquelle la taille de maille est similaire à celle des NPMs synthétisées. L'élaboration des nanocomposites a ensuite été réalisée par la dispersion des NPMs dans des solutions de polymères enchevêtrés conduisant à différentes microstructures, soit la formation d'agrégats dus aux interactions électrostatiques attractives entre les chaines de polymères et les NPMs, soit la formation de gouttelettes de démixtion. L'étude de l'effet de l'application d'un champ magnétique continu sur les propriétés mécaniques des nanocomposites en lien avec les microstructures induites a montré l'importance du rôle des interactions chaines de polymères - NPMs. Les hydrogels de nanocomposites magnétiques finaux ont ensuite été élaborés par la réticulation de ces solutions de nanocomposites en développant une méthodologie pour moduler la cinétique de la transition sol-gel et leurs propriétés mécaniques et structurelles finales en modifiant le degré de réticulation des réseaux de polymères et par l'application d'un champ magnétique. Enfin, les nanocomposites magnétiques élaborés ont été évalués par des études de viabilité cellulaire in vitro sur des fibroblastes par le test WST-1 identifiant les conditions expérimentales les plus prometteuses pour leur application potentielle en ingénierie tissulaire.

The aim of this thesis is to elaborate and to study at different scales magnetic sensitive materials to progress in the understanding of soft sensitive composites with potential applications in tissue engineering. For such purpose, we propose a methodology of elaboration consisting in the combination of polymer matrices of different natures with functionalized magnetic nanoparticles (MNPs) of maghemite (γ-Fe2O3) by an ex-situ method in which aqueous polymer solutions and MNPs dispersions are separately prepared and then mixed followed by the crosslinking to elaborate nanocomposite hydrogels. The synthetized maghemite MNPs are highly crystalline and surface functionalized either by covalent grafting of double ligand (3-Aminopropylphosphonic acid) bearing a positive charge due to the ionization of amino group or by the adsorption of citrate ions negatively charged. Two polymers have been selected, one of neutral nature (polyvinyl alcohol) and the other one which is a polyelectrolyte (sodium alginate) with a negative charge. Their conformation in aqueous solution has been firstly studied to determine the range of concentrations for which the mesh size is similar to the size of the synthetized MNPs. The elaboration of nanocomposites is firstly carried out by the dispersion of MNPs in entangled polymer solutions leading to different microstructures, either the formation of aggregates due to the attractive electrostatic interactions between the individual components or the formation of droplets of demixion originated by colloidal forces. The study of the effect of an applied magnetic field on the mechanical properties in relation with microstructures of the nanocomposites has underlined the key role of the interactions between polymer chains and MNPs. The final magnetic nanocomposite hydrogels have been then elaborated by the crosslinking of those nanocomposite solutions developing a methodology to modulate the kinetics of the sol-gel transition and their final mechanical and structural properties by varying the crosslinking degree of the polymer networks and by the application of a magnetic field. Finally, the elaborated magnetic nanocomposites have been evaluated by in vitro cell viability studies in fibroblast NIH-3T3 by the WST-1 assay identifying the more promising experimental conditions for their potential application in tissue engineering.