Thèse soutenue le 28 juin 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Chimie Physique Moléculaire et Structurale
Résumé :
Le greffage de pro-drogues sur de la cellulose nano-fibrillée (CNF) semble être une voie particulièrement prometteuse comme support dans des applications de délivrance contrôlée de médicaments. Cependant, la caractérisation chimique et de structure approfondie de la surface des CNF reste souvent un défi qui dépasse les limites actuelles de sensibilité et de résolution des techniques standards de caractérisation, en particulier dans le cas de faible pourcentage de fonctionnalisation (< 5 wt%).
Dans ce travail, nous avons utilisé la polarisation dynamique nucléaire par rotation à angle magique (MAS-DNP) pour surmonter les limites de sensibilité de la RMN à l’état solide et pour étudier la chimie de surface des CNF fonctionnalisés avec différentes pro-drogues (métronidazole et ciprofloxacine). Nous montrons notamment que la MAS-DNP est la seule technique capable de sonder sans ambiguïté la surface de ces systèmes dans le cas d'une fonctionnalisation très faible (< 1 wt%) et de fournir des réponses aux trois grandes questions suivantes : le degré de fonctionnalisation, la différenciation entre les espèces chimiques liées et adsorbées, et la pureté du produit final, et cela en seulement ~ 2 heures de temps expérimental. La DNP nous a permis de mettre en évidence la présence d'agents de couplage résiduels dans le produit final, alors que l'on pensait auparavant pouvoir les éliminer par une procédure de lavage conventionnelle. Nous présentons une étude comparative de CNF fonctionnalisés avec différents composés modèles et pro-drogues pour évaluer l'efficacité de deux agents de couplage (EDC/NHS
vs. DMTMM). Nous montrons comment la pro-drogue elle-même peut affecter le mode de fixation et la quantité de médicament embarqué, en soulignant l’importance du pH pendant les étapes de lavage pour éviter l’hydrolyse indésirable de la liaison de greffage de la pro-drogue tout en assurant une élimination efficace des espèces chimiques indésirables (agents de couplage, pro-drogue adsorbée ou produits secondaires de réaction).
De plus, le gain en sensibilité apporté par la DNP combiné à l’utilisation de molécules espions enrichies en
15N (benzylamine) nous a permis de sonder la surface des CNF oxydés par TEMPO à un niveau de détail sans précédent. Nous avons ainsi pu caractériser les chaînes accessibles et non-accessibles de cellulose, et fournir un aperçu des différences d’orientation de la molécule de benzylamine greffée ou adsorbée à la surface du CNF.
Ce travail présente enfin une étude sur la paroi cellulaire secondaire d'un échantillon de bois dur de hêtre japonais adulte dans son état natif et à l'abondance isotopique naturelle. Nous présentons une nouvelle préparation d'échantillon DNP qui a permis d'enregistrer des expériences de corrélation 2D
13C-13C en seulement ~ 51 heures de temps expérimental. Nous fournissons ici, pour la première fois, un aperçu direct de la structure atomique complexe de la paroi cellulaire secondaire des plantes, actuellement hors de portée de tout autre outil d'investigation de la structure existant. La compréhension de la structure à l'échelle atomique de la biomasse native est essentielle, par exemple pour sa conversion efficace en biocarburants.
Nous pensons que cette thèse peut servir de base pour le développement de la MAS-DNP comme outil de caractérisation de routine des matériaux de nanocellulose fonctionnalisés et des transporteurs de médicaments, ainsi que pour l'étude structurale approfondie de leur surface. Elle démontre également le potentiel de la MAS-DNP et le rôle important qu’elle pourrait jouer dans l’élucidation des mystères de la structure à l'échelle atomique de la cellulaire des plantes de feuillus natifs.
Jury :
Rapporteur : Akira Isogai
Rapporteur : Christian Bonhomme
Examinateur : Björn Corzilius
Examinateur : Laurent Heux
Examinateur : Guilia Mollica
Examinateur : Martine Demeunynck
Directeur de thèse : Gaël de Paëpe
Co-directeur de thèse : Sabine Hediger
Mots clés :
DNP, très basse température, cellulaire secondaire, nanocellulose, hardwood, RMN