Caractérisation multi-échelle d'hydrogels d'intérêt biologique

Multi-scale characterization of hydrogels of biological interest

• Auteur / Autrice : Souhaila N'Mar
• Direction : Frédérique Giorgiutti-Dauphiné, Ludovic Pauchard, Patrick Guenoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 14/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....) - Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Paul Menut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yahya Rharbi, Martine Meireles, Thomas Gibaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yahya Rharbi, Martine Meireles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Nanoindentation

Rhéologie

Sérum-albumine

Microscopie électronique à balayage

Colloïdes

Nanoparticules de silice

Nanogels

Mots clés libres

Hydrogel

Colloïde

Propriétés macroscopiques

Structure

Biohydrogel

Protéines

Hydrogel

Colloide

Macroscopique properties

Structure

Biohydrogel

Proteines

Résumé

Comprendre la réponse des gels sous contrainte est d'une importance primordiale, aussi bien au plan fondamental que pour les applications. Les gels sont constitués d'une matrice poreuse saturée de liquide. En fonction de leur propriétés physico-chimiques, ils peuvent présenter une porosité élevée et ainsi une grande capacité à conserver du liquide ou à le relarguer. Pour ces raisons, ils sont utilisés dans de nombreuses applications et notamment dans l'industrie pharmaceutique (libération de principe actif, technique dite de "drug delivery") ou encore dans le domaine de l'environnement (dépollution et décontamination des sols). Il est alors important de comprendre comment sous l'effet des contraintes, liées au séchage principalement, ces gels vont réagir. Nous considérons des gels de nano-particules pour lesquels il est possible de modifier de manière contrôlée la structure en modifiant les interactions entre particules (par ajout d'espèces ioniques). Afin d'apporter au gel de nouvelles fonctionnalités biologiques, nous avons introduit dans le gel colloïdal, des protéines qui: i) interagissent avec les particules colloïdales, ii) apporte au gel des fonctionnalités biologiques, et iii) module les propriétés mécaniques du gel en passant de visco-élastique à fragile.Dans une première partie, nous avons déterminé les conditions à la fois de séchage et physico-chimiques (interactions entre particules), permettant de réaliser une gélification homogène d'une suspension de silice dans le cas d'une goutte sessile. Un diagramme de phase a permis de mettre en évidence une région, où la gélification est homogène dans tout le volume et une région, où les instabilités mécaniques apparaissent à l'interface avec l'air. La structure du gel a été caractérisée à l'aide de la diffusion de rayons X. Nous avons pu également étudier l'impact de l'ajout de protéines dans les gels de silice. Enfin, un lien a été proposé entre les propriétés mécaniques du gel et la microstructure grâce à un modèle prenant en compte l'élasticité des agrégats dans le gel. Des expériences préliminaires ont montré qu'en imbibant les billes d'hydrogels, il était possible de relarguer sans dénaturer la protéine, ce qui permettrait une application pour des techniques de "drug delivery".

Understanding the response of gels under stress is important, both fundamentally and for applications. Gels consist of a porous matrix saturated with liquid. Depending on their physico-chemical properties, they can be highly porous, and thus have a great capacity to retain or release liquid. For these reasons, they are used in a wide range of applications, notably in the pharmaceutical industry (drug delivery) and in the environmental sector (soil decontamination). It is therefore important to understand how these gels react under the effect of stresses, mainly due to drying process. We are considering nano-particle gels for which it is possible to modify the structure in a controlled way by modifying the interactions between particles (by adding ionic species). In order to provide the gel with new biological functionalities, we aim to introduce proteins into the colloidal gel that: i) interact with the colloidal particles, ii) provide the gel with biological functionalities, and iii) modulate the gel's mechanical properties from viscoelastic to brittle.In the first part, we determined the drying and physico-chemical conditions (interactions between particles) required to achieve homogeneous gelation of a silica suspension in the case of a sessile drop. A phase diagram revealed a region where gelation is homogeneous throughout the volume, and a region where mechanical instabilities occur at the air interface. The gel structure was characterized using X-ray scattering. We were also able to study the impact of adding proteins to silica gels. Finally, a link was proposed between the mechanical properties of the gel and the microstructure, thanks to a model taking into account the elasticity of the aggregates in the gel. Preliminary experiments have shown that by imbibing hydrogel beads, it is possible to release the protein without denaturing it, which could be applied to drug delivery techniques.