DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Machines moléculaires fabriquées avec des nanocristaux de cellulose – Cellmach

Machines moléculaires fabriquées avec des nanocristaux de cellulose (Cellmach)

Le projet Cellmach porte sur la modification de nanocellulose pour la fabrication de nouveaux matériaux capables d’agir comme machines moléculaires.

Objectifs généraux et enjeux du projet

Le projet Cellmach vise à la conception et la fabrication de machines moléculaires composées d’une fonctionnalité « moteur » couplée aux nanocelluloses comme « bras ». Les machines moléculaires sont des systèmes de taille nanométrique qui convertissent l’énergie des stimuli externes (chaleur, force ionique, radiation) en mouvement. Une difficulté majeure des machines moléculaires est le contrôle de leur mouvement. En effet, le problème de conception le plus critique auquel sont confrontées les machines moléculaires est de rendre le mouvement efficace à l’échelle macroscopique. D’autre part, il serait souhaitable de créer des machines moléculaires dont les composants soient biosourcés, biocompatibles et biodégradables. <br />Dans le projet Cellmach, nous proposons de coupler un moteur moléculaire aux nanocelluloses pour fabriquer des machines moléculaires qui seront alimentés par des resources durables. Les nanocelluloses sont de bons candidats pour la fabrication de biomatériaux en raison de leur faible toxicité et de leur biocompatibilité. De plus, ils proviennent des matières renouvelables (cellulose) qui peuvent être dégradées par voie enzymatique à la fin du cycle de vie. <br />À cette fin, les principaux objectifs de Cellmach sont: <br />Objectif 1 : Introduire la fonctionnalité moteur sur la structure de nanocelluloses (nanocristaux de cellulose) : en extrémité réductrice par la réactivité sélective des groupements carbonyles, et en surface par la modification chimique et par l’adsorption de biopolymères. <br />Objectif 2 : Contrôler le mouvement des nanocelluloses induit par la fonctionnalité moteur afin de déterminer l’assemblage (couplage nanocellulose et moteur) le plus efficace pour des applications. <br />Objectif 3 : Préparer des systèmes de nanocelluloses dont le mouvement est contrôlé et réversible et qui répondent aux stimuli pour la fabrication de nanopinces ou muscles artificiels bioinspirés capables de contrôler la force appliquée.

Le projet sera organisé en cinq work packages (WP) selon le plan suivant :
WP1. Conception et préparation de « moteurs » avec le groupe fonctionnel approprié à greffer sur les nanocelluloses : Nous sélectionnerons différents moteurs et nanocelluloses. Nous étudierons différents systèmes sensibles aux stimuli: notamment des groupes fonctionnels sensibles au pH, polymères thermosensibles et molécules sensibles à la lumière.
WP2. Couplage des « bras » et du « moteur » et caractérisation des assemblages : Nous introduirons la fonctionnalité « moteur » à la structure de la nanocellulose par différentes stratégies : (i) introduire la fonctionnalité à l’extrémité réductrice de la nanocellulose ; et (ii) modifier toute la surface des nanocelluloses.
WP3. Évaluation du mouvement des nanocelluloses : En raison du caractère novateur du projet, il n’existe pas actuellement de méthodes courantes pour déterminer le mouvement des nanocelluloses. Nous allons concevoir et développer de nouvelles approches à cette fin. Nous évaluerons les performances des nanomachines à base de nanocellulose : type de mouvement, réversibilité et stabilité des machines moléculaires dans différentes conditions (température, solvants, force ionique, etc.).
WP4. Applications : Muscles artificiels bioinspirés : Pour le développement de muscles artificiels bioinspirés, nous évaluerons les cycles d’expansion/contraction. Nous allons préparer des couches minces de nanocelluloses modifiés par moteur, et nous allons évaluer les changements de porosité et d’épaisseur sur le cycle de dilatation/contraction.
WP5. Coordination et diffusion : Des réunions périodiques seront organisées pour planifier les différentes tâches ainsi que pour analyser et discuter les résultats obtenus afin d’appliquer les activités de recherche des différents WP. Les principaux résultats de ce projet seront d’abord protégés par des brevets et publiés dans des revues scientifiques spécialisées reconnues à l’échelle internationale.

Pendant les premiers 18 mois du projet Cellmach, nous avons sélectionné les nanocelluloses et les moteurs. Nous avons commencé par l’étude des fonctionnalités spécifiques pour l’assemblage supramoléculaire et des groupements responsifs au pH: notamment la fonctionnalité biotine et des groupements amine et carboxylate. Ainsi, nous avons introduit des fonctionnalités en extrémité réductrice des nanocristaux de tunicier (t-CNC) et en surface des nanofibres de cellulose (NFC). Les nanocelluloses modifiées ont été caractérisées par de différentes techniques. Dans le cas des t-CNC modifiés par la fonctionnalité biotine, nous avons réussi à assembler plusieurs nanocristaux par la streptavidine, qui est une protéine qui peut lier spécifiquement jusqu’à 4 molécules de biotine. Parmi les résultats obtenus concernant les nanofibres de cellulose, nous avons commencé à chercher des stratégies pour évaluer le mouvement. Nous avons réussi à préparer des films qui répondent aux changements de pH tout en développant un mouvement de courbure du film.
Les résultats obtenus jusqu’à présent sont prometteurs, nous avons démontré que l’introduction d’une modification chimique (moteur) sur la surface des nanocelluloses a un impact sur leurs propriétés et permet de les assembler et aussi de développer un mouvement. Pour la prochaine période, nous envisageons de continuer à concevoir et développer des méthodes pour la caractérisation du mouvement dans le but d’introduire des nanocelluloses dans des applications spécifiques.

Cellmach est un projet de 36 mois qui en est actuellement à son 18ème mois. Au cours des prochains mois, nous prévoyons de poursuivre l’élaboration de méthodes d’évaluation du mouvement des systèmes à base de nanocelluloses. Nous testerons différents assemblages de nanocellulose ainsi que leur réponse à différents stimuli. Dans cette ligne, nous étudierons d’autres modifications sur la surface de la nanocellulose, comme l’introduction de charges positives, ou des groupes fonctionnels spécifiques. Une autre perspective importante du projet Cellmach est le développement de nouvelles voies de modification de la nanocellulose, avec deux objectifs principaux : (i) réduire l’impact négatif des réactions chimiques sur l’environnement et (ii) créer de nouvelles propriétés (transparence, propriétés mécaniques, réponse au pH ou à la température, etc.).
Au cours des prochains mois, nous prévoyons également de développer des méthodes de modélisation du comportement des nanocelluloses en termes d’assemblage et d’interactions avec d’autres composants, dans le but d’obtenir plus d’informations pour la fabrication de nanodispositifs. En fait, les interactions jouent un rôle clé dans l’architecture des nanodispositifs ainsi que dans leur réponse aux stimuli externes. Par conséquent, nous développerons des équations semi-empiriques pour décrire, par exemple, l’adsorption des nanocelluloses sur différents types de surfaces. L’objectif est de prédire le comportement des nanocelluloses pour la conception de nanodispositifs intelligents.
L’objectif final de Cellmach est l’utilisation de machines nanomoléculaires à base de cellulose pour des applications spécifiques, par exemple, pour les nanosystèmes effectuant des cycles d’extension/contraction pour la fabrication de muscles artificiels.

1. Villares, A.*; Moreau, C.; Cathala, B. «Star-like supramolecular complexes of reducing-end-functionalized cellulose nanocrystals«. ACS Omega, 2018, 3, 16203-16211 (https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsomega.8b02559?src=recsys)

Dans ce projet, nous visons à fabriquer des machines moléculaires dont les « bras » qui se déplacent sont des nanocelluloses. Les machines moléculaires sont des systèmes de dimensions nanométriques qui transforment l’énergie provenant des stimuli externes (chaleur, force ionique, radiation, champ électrique) en mouvement linéal ou rotationnel. Malgré leurs excellentes propriétés potentielles, le verrou majeur de la conception de machines moléculaires est le transfert du mouvement à l’échelle macroscopique. Dans ce projet, nous proposons le transfert de l’énergie du moteur à l’échelle moléculaire (0.2 nm) aux « bras » à l’échelle nanométrique (100-500 nm). Le but de Cellmach est la fabrication de machines moléculaires contenant des nanocelluloses comme les « bras » qui seront déplacés par le mouvement du moteur. Nous utiliserons donc l’énergie libérée par le moteur pour déplacer des nanocelluloses.
Il y a deux types principaux de nanocelluloses : les nanocristaux de cellulose (CNC), qui sont obtenus par hydrolyse acide des fibres de cellulose, et les nanofibres de cellulose (CNF) produites par délamination mécanique des fibres. Dans Cellmach, nous nous concentrerons sur des nanocristaux de coton, qui sont des cristallites rigides, sous forme de bâtonnets présentant deux extrémités différenciées (extrémité réductrice et non-réductrice). Cellmach comporte deux stratégies principales pour la fabrication de machines moléculaires de cellulose : dans un premier temps, nous utiliserons l’anisotropie des nanocristaux de cellulose pour introduire le moteur à l’extrémité réductrice pour la création de nanomachines monofonctionnelles. Dans un deuxième temps, nous créerons des nanocelluloses multifonctionnelles par l’introduction du moteur à de différents sites tout au long de la structure du nanocristal. La stratégie sera d’utiliser l’affinité entre la cellulose et les hémicelluloses (xyloglucane) pour enrober les nanocristaux de celluloses et, ensuite, introduire la fonctionnalité motrice sur la structure hémicellulose.
Nous étudierons de différents types de moteurs moléculaires, comme des polymères thermoresponsives ou des molécules stimulables par la radiation. Le projet comprend l’introduction de la fonctionnalité motrice sur la surface des nanocelluloses, leur caractérisation, et l’évaluation du mouvement des « bras » (nanocelluloses). Ces assemblages seront testés pour la fabrication de nanomachines synthétiques capables de développer des fonctions comme contrôler le mouvement, la force, et les propriétés mécaniques. Cellmach développera de nouveaux matériaux intelligents qui remplaceront les polymères synthétiques et qui seront utilisés comme nanopinces pour des applications en chirurgie, ou comme des muscles artificiels bioinspirés. Les nanocelluloses seront la nouvelle génération de synthons biosourcés et renouvelables pour le développement de matériaux intelligents à haute valeur ajoutée.

Coordinateur du projet

Madame Ana Villares (Biopolymères, Interactions Assemblages)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Biopolymères, Interactions Assemblages

Aide de l'ANR 183 705 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 36 Mois

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