Polymères et Assemblages (P&A)

Films minces biosourcés à activité antimicrobienne

Samantha MICCIULLA, en collab. avec Leonardo CHIAPPISI (Institut Laue-Langevin, Grenoble)

L'auto-assemblage de films minces polymères est largement exploité pour enrichir divers substrats de fonctionnalités sur mesure.  Le concept de modification de surface par greffage chimique ou adsorption physique de macromolécules est assez simple et très polyvalent, il convient à une large sélection d'espèces dans diverses conditions thermodynamiques, ce qui permet d'obtenir une gamme tout aussi large de structures internes, de morphologies et de propriétés mécaniques des films finaux, tout en préservant les propriétés du substrat. Outre la structure et la mécanique, les fonctions biologiques d'une surface peuvent être modifiées, y compris l'introduction de propriétés antimicrobiennes, qui sont d'une grande importance pour prévenir les infections nosocomiales dans les hôpitaux, mais aussi dans notre vie quotidienne.

Le projet de recherche vise à utiliser des polymères biosourcés et biodégradables pour créer des revêtements antimicrobiens. Nous nous attaquons au défi d'obtenir des films antimicrobiens stables dans des conditions physiologiques, notamment des milieux à pH faible et complexes, mais aussi de comprendre la corrélation entre les propriétés physico-chimiques des films et leur interaction avec la surface externe des cellules bactériennes. Compte tenu de son abondance en tant que déchet alimentaire, de sa bonne filmabilité et de sa biodégradabilité, nous utiliserons le chitosan sous forme de films simples (monocouches) jusqu'à des films multicouches complexes en combinaison avec d'autres composés chargés négativement, et vérifierons la corrélation entre les propriétés des films et les fonctions biologiques contre la prolifération des cellules bactériennes.

Chitosan-based smart hybrid materials: a physico-chemical perspective
Giuseppe Cavallaro, Samantha Micciulla, Leonardo Chiappisi and Giuseppe Lazzara
Journal of Materials Chemistry B, 2021, 3, pp.594-611 ⟨10.1039/D0TB01865A⟩

Relation structure-fonction dans les membranes biomimétiques. Focus sur les bactéries à Gram négatif

Samantha MICCIULLA, en collab. avec Nicolo PARACINI (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Emanuel SCHNECK (Technische Universität Darmstadt, Allemagne), Cedric LAGURI (Institut de Biologie Structurale, Grenoble)

La résistance aux antimicrobiens consiste en une série de mécanismes d'adaptation que les bactéries mettent en œuvre pour survivre à des conditions menaçantes, ce qui entraîne des réarrangements structurels et fonctionnels. La distribution généralisée, le mauvais usage et l'abus pur et simple des antibiotiques sont responsables du développement de nombreuses souches résistantes, dont beaucoup sont des bactéries à Gram négatif. Outre l'altération de la machinerie biologique complexe qui modifie l'expression des protéines, la production de lipides et l'activité enzymatique, ces bactéries se protègent par une membrane à double enveloppe hautement imperméable, agissant comme des tamis moléculaires contre la plupart des antibiotiques disponibles aujourd'hui. La conception de nouveaux médicaments capables de franchir cette barrière pour atteindre le noyau et tuer les bactéries nécessite une connaissance approfondie de la structure de ces interfaces et de la manière dont leur stabilité peut être compromise.

Ce projet de recherche se concentre sur l'étude physico-chimique des membranes de bactéries Gram-négatives à différents niveaux de complexité, depuis les couches lipidiques simples jusqu'aux doubles bicouches avec des protéines transmembranaires incorporées. Les systèmes seront reconstitués sur des substrats liquides et solides afin d'explorer leurs propriétés dans des conditions physiologiques et lors de l'interaction avec des médicaments modèles (molécules uniques ou transporteurs de médicaments). Afin de reproduire les interactions membrane-membrane et la formation de biofilms, des travaux approfondis seront consacrés à la conception de nouvelles approches expérimentales pour contrôler leur distance de séparation mutuelle à l'échelle nanométrique, en criblant un large éventail de forces d'interaction.

Lipopolysaccharides at Solid and Liquid Interfaces: Models for Biophysical Studies of the Gram-negative Bacterial Outer Membrane
Nicoló Paracini, Emanuel Schneck, Anne Imberty, Samantha Micciulla
Advances in Colloid and Interface Science, 2022, 301, pp.102603. ⟨10.1016/j.cis.2022.102603⟩

Interactions entre brosses de polymère et objets biologiques

Lionel BUREAU, en collab. avec Delphine DEBARRE and Daria TSVIRKUN (équipe MC2), Chaouqi MISBAH (équipe EcCEL), Martial BALLAND and Giovanni CAPPELLO (équipe MicroTiss)

Ce sujet repose sur la conception et l'utilisation de brosses de polymères (couches de macromolécules liées par une extrémité à une surface) pour régler les interactions entre la surface d'un solide et les cellules biologiques situées à proximité. Nous nous concentrons sur deux situations d'intérêt différentes.

(i) La première est liée à la rhéologie du sang dans le système microvasculaire : nous étudions le rôle joué par le glycocalyx endothélial, une structure polymère en forme de brosse de quelques microns d'épaisseur qui tapisse la lumière des vaisseaux sanguins in vivo, et nous sondons son effet sur la dynamique des cellules sanguines en circulation et sur la réponse des cellules endothéliales aux stimuli mécaniques. Pour ce faire, nous combinons la microfluidique et la culture cellulaire in situ, afin de concevoir une microvasculature sur puce.

Financement : CNES - Programme “Dysfunction endothéliale”

Microvasculature on a chip: study of the Endothelial Surface Layer and the flow structure of Red Blood Cells
Daria Tsvirkun, Alexei Grichine, Alain Duperray, Chaouqi Misbah, Lionel Bureau
Scientific Reports, 2017, 7, pp.45036. ⟨10.1038/srep45036⟩

(ii) Notre deuxième domaine d'application des brosses de polymères est le contrôle de l'adhésion des cellules de mammifères sur une surface. Nous avons développé une technique permettant de concevoir des brosses de poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM, un polymère thermosensible) qui présentent des motifs adhésifs de géométrie bien contrôlée. Nous avons montré que ces brosses à motifs peuvent être utilisées efficacement pour créer des réseaux réguliers de cellules suivant une contrainte géométrique donnée.

Financement : ANR SPOC

Thermoresponsive micropatterned substrates for single cell studies
Kalpana Mandal, Martial Balland, Lionel Bureau
PLoS ONE, 2012, pp.e37548. ⟨10.1371/journal.pone.0037548⟩

Assemblages de hyaluronan avec des colloides et des protéines

Isabelle MORFIN, Marie PLAZANET et Judith PETERS, en collab. avec Isabelle GRILLO et Sylvain PREVOST (Institut Laue-Langevin, Grenoble) et Jérôme COMBET (Institut Charles Sadron, Strasbourg)

En utilisant des techniques de diffusion de rayons X et de neutrons, nous étudions des structures multi-composants de hyaluronan associé à des protéines, des colloïdes chargés ou neutres. Nous observons en amont de toute application ou pour des applications précises le rôle de paramètres intrinsèques au hyaluronan, comme la masse ou la rigidité des chaînes, le rôle des molécules d’eau et des liaisons hydrogène associées, ainsi que l'équilibre entre les forces électrostatiques, hydrophobes ou de déplétion.

Chain conformation: A key parameter driving clustering or dispersion in polyelectrolyte – Colloid systems
I. Grillo, I. Morfin, J. Combet
Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 561, pp.426-438. ⟨10.1016/j.jcis.2019.11.010⟩

Croissance de bulles dans des milieux complexes chauffés

Élise LORENCEAU et Irène WANG, en collab. avec Carlos ARAUZ MORENO et Keyvan PIROIRD (Saint-Gobain Research)

Il est courant d'observer des bulles coincées dans des matériaux complexes (gel hydroalcoolique transparent ou verre feuilleté des parebrises). Ces bulles, qui dégradent la qualité optique du matériau, peuvent apparaître au cours d’une utilisation normale du matériau ou lors d’un test de qualité à haute température. La cinétique de croissance d’une bulle dans un liquide ou milieu complexe sursaturé en gaz et brusquement mis en contact avec la pression atmosphérique -comme du champagne- est bien connue. Par contre, il existe beaucoup moins d’études sur les effets d’une augmentation de température sur la croissance d’une bulle dans un milieu complexe. Le sujet est pourtant riche puisqu’une multitude de paramètres (coefficient de diffusion, rhéologie, solubilité) dépendent de la température. Pour étudier ce problème, nous avons construit deux autoclaves transparents permettant de soumettre des échantillons à des cycles de pression et de température et de suivre la croissance d’inclusion gazeuse. La distribution de contraintes autour des bulles peut être suivie par biréfringence. Les images ci-dessous illustrent des bulles centimétriques aux formes étranges apparues lors de l’échauffement d’un polymère confiné entre deux plaques de verre.

Financement : Saint-Gobain Research