GIMD : thème Ingénierie de la Matière Molle

Animateur : Yannick Hallez

Les objets concernés par cet axe d’étude sont colloïdaux. Au moins une de leurs dimensions est comprise entre quelques nanomètres et la dizaine de microns. L’organisation à méso-échelle de ces colloïdes est largement déterminée par de faibles forces interfaciales et détermine leurs propriétés macroscopiques. Les études menées dans cet axe sont donc souvent multi-échelles et au carrefour entre chimie, physique, mécanique et ingénierie des procédés. Voici quelques thèmes de recherches en cours.

Vectorisation médicale

Un procédé innovant et robuste basé sur la technique de co-spray drying a été mis au point pour développer des nanovecteurs destinés à devenir des outils diagnostiques ou thérapeutiques pour la délivrance contrôlée de principes actifs. Des vecteurs de silice mésoporeuse de type MCM-41 chargés en ibuprofène ont été mis en forme dans un nano-atomiseur. Les mécanismes de l’organisation multi-échelles des vecteurs et les conditions pour une charge optimale en principe actif ont été déterminés. Celle-ci repose sur une étude physico-chimique fine des nanomatériaux (taille, structuration, interactions matrice / principe actif) par microscopie électronique, diffusion de rayonnement, et RMN du solide, et sur une compréhension des effets des paramètres opératoires des différentes étapes des procédés de fabrication et de mise en forme (synthèse de la matrice, imprégnation, atomisation-séchage pour la charge en principe actif).

Contact : Mallorie Tourbin

Pour en savoir plus :

Ruffel L., Soulié J., Coppel Y., Roblin P., Brouillet F., Frances C., Tourbin M., Porous Ibuprofen loading into mesoporous silica nanoparticles using Co-Spray drying: A multi-scale study, Microporous and Mesoporous Materials 291 (2020) 109689.

Stabilisation d’émulsions par la gomme Arabique

La gomme arabique est utilisée depuis les temps anciens comme émulsifiant. Les recherches menées dans le département dans le cadre du LabCom SoPhy ont permis de comprendre pourquoi les émulsions aromatiques utilisées de nos jours pour les boissons gazeuses peuvent se déstabiliser malgré l’utilisation de gomme arabique. Une étude de la structure et de la composition de la gomme aux interfaces eau/huile a été menée en couplant techniques chromatographiques et diffusion de rayonnement. Elle a montré que la composition de la gomme aux interfaces différait nettement de celle en solution et que la concentration aux interfaces est un paramètre crucial déterminant l’apparition d’un réseau élastique aux interfaces eau/huile. Il a été démontré que ce dernier est responsable des propriétés stabilisatrices exceptionnelles de la gomme, mais qu’il ne peut pas être obtenu dans n’importe quelles conditions de formulation. La compréhension fine de la structuration de la gomme arabique obtenue dans ce projet permet désormais de formuler une émulsion bien plus efficacement, avec une stabilité accrue et une utilisation de gomme plus raisonnée.

Contact : Kevin Roger

 Pour en savoir plus :

Atgié, M., Masbernat, O., & Roger, K. (2018). Emulsions stabilized by gum arabic: Composition and packing within interfacial filmsLangmuir35(4), 962-972.

Atgié, M., Chennevière, A., Masbernat, O., & Roger, K. (2019). Emulsions stabilized by gum arabic: how diversity and interfacial networking lead to metastabilityLangmuir35(45), 14553-14565.

Atgié, M., Garrigues, J. C., Chennevière, A., Masbernat, O., & Roger, K. (2019). Gum Arabic in solution: Composition and multi-scale structuresFood Hydrocolloids91, 319-330.

    Déformation de micro-gels en compression

    Les micro-gels sont des particules synthétiques prometteuses notamment dans les domaines de l’alimentation, de la pharmacie et du cosmétique, en particulier pour les applications de vectorisation et de stabilisation citées ci-dessus. Ceci est dû à leur bonne biocompatibilité, leur taille contrôlable, leur grande surface spécifique pour l’adsorption de principes actifs, ou encore leur grande déformabilité permettant leur reconfiguration aux interfaces eau/huile. Ce sont aussi de bons modèles d’autres systèmes réels plus complexes comme le lait. Lorsqu’on tente de les concentrer au-delà de l’empilement compact (image a), les micro-gels doivent soit se déformer (image b) soit dégonfler (image c) pour permettre le retrait de solvant de la suspension. Une étude réalisée en collaboration avec TBI et l’Université de Wageningen, a permis de montrer que les deux phénomènes se produisent simultanément, mais avec plutôt un mécanisme de déformation à faible pression osmotique et un mécanisme de dégonflement à haute pression osmotique [De Aguiar, I. et al. Sci Rep 2017, de Aguiar, I.et al. Colloids Surf A, 2018]. Ce mode de transformation peut avoir d’importantes conséquences sur la viscosité effective de la suspension et sur sa perméabilité à un écoulement de solvant en particulier à cause de la réduction de la taille des espaces inter- particules en régime de déformation.

    Contact : Martine Meireles

    Pour en savoir plus :
    De Aguiar, I. B., Van de Laar, T., Meireles, M., Bouchoux, A., Sprakel, J., & Schroën, K. (2017). Deswelling and deformation of microgels in concentrated packingsScientific Reports7(1), 1-11.
    de Aguiar, I. B., Schroën, K., Meireles, M., & Bouchoux, A. (2018). Compressive resistance of granular-scale microgels: From loose to dense packingColloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects553, 406-416.

    de Aguiar, I. B., Meireles, M., Bouchoux, A., & Schroën, K. (2019). Conformational changes influence clogging behavior of micrometer-sized microgels in idealized multiple constrictionsScientific reports9(1), 1-9.

    de Aguiar, I. B., Meireles, M., Bouchoux, A., & Schroën, K. (2019). Microfluidic model systems used to emulate processes occurring during soft particle filtrationScientific reports9(1), 1-9.

      Synthèse de nanodisques d’argent en une étape

      La synthèse de nanoparticules est souvent faite en deux étapes. La première consiste à former des petites graines bien contrôlées et la seconde à les faire croître. Ceci induit des contraintes expérimentales en termes de manipulations et de délais qui peuvent être problématiques pour un transfert vers l’industrie. Dans ce projet, une synthèse en une seule étape de nanodisques d’argent a été développée et rationnalisée. Il s’agit de préparer une solution de nitrate d’argent et de PVP, d’y ajouter dans une premier temps un réducteur faible comme l’acide ascorbique, puis au bout d’un délai T un réducteur fort, ici le borohydrure de sodium. Ce protocole permet de former des nanodisques de 8nm d’épaisseur et avec un diamètre qui peut être ajusté, à condition que le temps d’injection T soit compris dans un certain intervalle de temps dont les bornes dépendent de la température. Cette contrainte a pu être comprise grâce à l’interprétation mécanistique du processus de synthèse. L’acide ascorbique réduit l’argent dans un premier temps sans aller jusqu’à une nucléation, puis le borohydrure de sodium génère une nucléation burst de graines avec des défauts cristallins. En fonction de la quantité d’argent qui reste en solution à cet instant (qui dépend de la température et de T) qui influence la cinétique de dépôt d’atomes argent sur la surface des graines, la croissance de ces dernières peut permettre de former des nanodisques ou pas.

      Contact : Martine Meireles et Yannick Hallez

      Pour en savoir plus :

      Gestraud, C., Roblin, P., Morris, J. F., Meireles, M., & Hallez, Y. (2020). Injection time controls the final morphology of nanocrystals during in situ-seeding synthesis of silver nanodisksCrystEngComm22(10), 1769-1778.

        Cristallisation induite par cisaillement dans une suspension de nanodisques portant des charges anisotropes

        Des phénomènes de cristallisation induite par cisaillement ont pu être observés dans des suspensions colloïdales de sphères chargées en particulier sous l’effet d’un cisaillement oscillant. Dans ce travail, la cristallisation d’une suspension de nanodisques a été observée sous cisaillement stationnaire par simulation numérique. L’algorithme permet de calculer les interactions hydrodynamiques entre les nanodisques grâce une modification de la Dynamique Stokésienne Accélérée (ASD) réalisée en collaboration entre les membres du projet Toulousains et Jeff Morris (City College of New York). Le calcul des forces électrostatiques entre les disques inclut par ailleurs des effets de renormalisation de charge de manière à ce que le système in silico adopte un comportement proche des argiles de type Laponite. La cristallisation induite par cisaillement se produit dans des conditions de longue portée d’interactions électrostatiques, lorsque la suspension initiale est dans un état vitreux. Dès l’application du cisaillement, les centres des nanodisques s’arrangent sur un réseau hexagonal de chaines de colloïdes, mais les orientations de ces derniers ne sont que peu corrélées. Après l’arrêt du cisaillement, la structure en chaines évolue vers un cristal hexagonal et la suspension revêt un caractère nématique. L’analyse des contraintes tangentielles et normales exercées au sein de la suspension durant ce processus est rendue possible par la méthode ASD et permet de comprendre les mécanismes à l’œuvre

        Contact : Yannick Hallez et Martine Meireles

        Pour en savoir plus : article à venir…

          Compression osmotique microfluidique pour la mesure de propriétés thermodynamiques et de transport dans les dispersions colloïdales

          Grâce à une méthode d’intégration de membranes dans des puces microfluidiques développée au LOF de Bordeaux, des équations d’état de suspensions colloïdales ont pu être mesurées de deux manières différentes. Dans ces dispositifs, la membrane, à l’instar d’un sac de dialyse, permet l’échange d’ions et de solvant entre la suspension colloïdale et une solution saline de composition donnée. La suspension colloïdale peut soit être contenue dans une goutte comprimée à la surface de la membrane par de l’huile, soit être comprimée directement grâce un processus de filtration frontale. Dans les deux cas, les équations d’état mesurées sont en excellent accord avec les prédictions théoriques et numériques basées sur une résolution de l’équation d’Ornstein-Zernike avec un potentiel effectif issu d’une méthode de renormalisation de charge. Ce projet se poursuit avec des modes opératoires et des conceptions de puces microfluidiques opérant plus loin de l’équilibre de manière à mesurer des coefficients de diffusion collectifs de manière fiable. 

          Contact : Yannick Hallez, Martine Meireles et Patrice Bacchin

          Pour en savoir plus : visitez la page du projet avec la proposition ANR et une vidéo de présentation.

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