Axes Thématiques


Axe Elaboration

  • Animateurs

  • Vincent Humblot, (contacter par e-mail)
  • Florence Bally - Le Gall, (contacter par e-mail)
  • Le succès des nouveaux matériaux modernes est en partie dû à la spécificité de leurs surfaces souvent constituées de molécules fonctionnelles qui leur donnent les caractéristiques indispensables pour atteindre des performances élevées. L'élaboration et la bioingénierie de surface peuvent se présenter de diverses manières selon le matériau choisi. Tout d'abord, la fonctionnalisation de surface s'abordera de façon différente si l'on considère une surface plane, la surface d'une nanoparticule ou encore des matériaux nanostructurés à diverses échelles. Ensuite, il est important de comprendre l'impact des conditions d'élaboration sur les propriétés de l'interface des matériaux. En particulier, les phénomènes de dissolution des premières couches atomiques, les phénomènes de restructuration (par exemple suite à l'adsorption de peptides), les modifications des degrés d'oxydation, les effets sur la répartition surfacique des dopants doivent être pris en considération. Ces points sont d'autant plus importants que la nanostructuration de substrat exacerbe certains phénomènes interfaciaux. Enfin, les mécanismes permettant d'expliquer le rôle de ces modifications de surfaces impliquées font appel à la thermodynamique, aux phénomènes de transport, à la cinétique et à la modélisation des processus d'interactions aux interfaces. Il est alors fondamental d'établir les relations entre la structure et les propriétés de surface afin de guider la fonctionnalisation des surfaces des matériaux programmés en vue de leur conférer les propriétés spécifiques désirées.

    C'est dans ce contexte que l'axe « élaboration » de ce GDR se positionne et doit pouvoir amener des réponses à certaines interrogations. En particulier, la question de l'élaboration de surfaces modèles (cas des surfaces planes par exemple) et la possibilité de transposer les connaissances acquises sur les mécanismes mis en jeu aux surfaces nanostructurées et aux nanoparticules sera posée. Les premières étapes de fonctionnalisation chimique par voie sèche (traitement plasma, polymérisation plasma…) ou humide (assemblages, auto-assemblages, électropolymérisation…) seront regardées sur substrats homogènes et hétérogènes. Le contrôle de la densité de greffage, de la localisation des fonctions réactives, de leur accessibilité et de leur stabilité (problème de dénaturation par exemple) sera particulièrement visé. Parce que le greffage des premières couches de fonctionnalisation sera diffèrent selon les sites d'ancrage disponibles à la surface, les effets de texturation aux différentes échelles seront également considérés. Dans le cadre d'une surface nanostructurée par exemple, le site d'ancrage pourra se retrouver dans un environnement propice au phénomène de multi-coordinance, alors qu'il serait mono- ou bi-coordiné sur une surface plane. L'accessibilité et la réactivité de la première couche d'accroche et donc la performance de la surface se verront ainsi modifiés.

    La question du choix du mode de greffage en fonction de la nature du matériau reste posée. Au cours de l'élaboration de nouveaux transducteurs exploitant plusieurs matériaux, l'intégration en système fluidique impose d'être capable de conférer des propriétés biochimiques différentes pour chacun des matériaux. Il faut donc pouvoir transposer une méthode de greffage spécifique à différentes surfaces. Par exemple, lorsque l'on désire greffer un groupe amine, on peut utiliser des agents de couplages spécifiques (une surface d'or, utilisera un thiol amine, une surface de silicium, utilisera un amino-silane, ou encore une surface de titane, utilisera un dérivé aminé d'un catechol), des traitements plasma azote/hydrogène ou la polymérisation plasma de précurseurs aminés. Enfin, une attention particulière sera portée sur les réactions de surface « sur demande » (i.e. stimuli-responsive surfaces). On s'intéressera par exemple aux stratégies d'élaboration de surfaces dynamiques dont les propriétés biologiques sont contrôlées de manière réversible et sélective par leur environnement.

    Axe Caractérisation

  • Animateurs

  • Rabah Boukherroub, (contacter par e-mail)
  • Giovanna Fragneto, (contacter par e-mail)
  • La caractérisation est un ensemble de techniques qui permettent l'analyse de la composition, de la structure et de la topographie de tous types de surfaces. Elle intervient à chaque étape depuis la conception du matériau jusqu'à l'application finale envisagée. Elle permet à la fois d'optimiser les matériaux mais aussi de comprendre leur interaction avec l'environnement.

    Toute méthode de caractérisation est basée sur un même principe qui consiste d'une part, à envoyer une sonde sur un échantillon afin de créer une interaction sonde-échantillon et d'autre part, une analyse de la réponse ainsi générée. La sonde joue donc le rôle d'une excitation qui peut être un faisceau de particules énergétiques (faisceaux d'électrons, photons, neutrons, d'ions, d'atomes ou de molécules neutres), un rayonnement électromagnétique, un champ électrique ou magnétique, un palpeur mécanique, etc. La réponse de l'échantillon à cette excitation peut être externe avec émission d'un rayonnement ou d'une particule ou circulation d'un courant, mais elle peut aussi avoir lieu de manière interne (par exemple : population de pièges dans les semi-conducteurs).

    L'adsorption de biomolécules aux interfaces solides fait appel à de nombreuses techniques d'analyse afin de rendre compte à la fois de leur densité, de leur orientation, et de leur interaction avec l'environnement. Les études structurales précises fournissent une base précieuse pour la conception rationnelle de stratégies de fonctionnalisation de surfaces avec des propriétés contrôlées, par exemple, répulsives pour les fluides biologiques et peuvent aider à comprendre les mécanismes par lesquels les anticorps conduisent à l'échec des brosses de polymères dans les applications in vivo.

    On peut distinguer deux types d'analyse

  • Analyse structurale : On utilise un ensemble de techniques basées sur la détermination des caractéristiques morphologiques permettant d'observer l'aspect extérieur des échantillons. Elles sont généralement associées à l'imagerie et à la métrologie: la microscopie optique, la microscopie électronique, la microscopie en champ proche, et le stylet mécanique (la profilométrie). Les techniques dans l'espace réel, comme le microscope à force atomique, ont beaucoup progressé au cours des dernières décennies. Cependant, les techniques de diffusion de neutrons et rayons X donnent des résultats complémentaires, et restent très utilisées. Une des applications de plus en plus fréquente est l'étude de la structure à l'échelle nanométrique de biomatériaux aux interfaces. La puissance de ces techniques tient surtout à leur pouvoir de pénétration qui donne la possibilité de faire des mesures in situ dans des conditions physiologiques.
  • Analyse chimique des surfaces : L'analyse chimique de surfaces est la plus utilisée pour la détermination de la configuration en espèces atomiques composant la couche externe du matériau à analyser. Elle regroupe plusieurs techniques telles que la spectroscopie de photoélectrons XPS, la spectroscopie infrarouge, la spectrométrie de masse (SIMS), la spectroscopie Auger, Raman,….
  • La caractérisation des matériaux est fondamentale et transversale soit à leur production soit aux applications, puisque la compréhension de la structure peut permettre la compréhension de leurs mécanismes de fonctionnement et en conséquence leur optimisation.

    La modélisation moléculaire est un ensemble de techniques qui permettent de modéliser mais aussi de prédire la structure et la réactivité de molécules aux interfaces. La connaissance de la structure des édifices moléculaires permet de comprendre les changements qui ont lieu lors d'une transformation physique, chimique ou biologique. Elle peut permettre aussi de prévoir de telles transformations. C'est un outil très couramment utilisé pour étudier le comportement de biomolécules aux interfaces.

    Axe Applications

  • Animateurs

  • Wilfrid Boireau, (contacter par e-mail)
  • Brigitte Grosgogeat, (contacter par e-mail)
  • Les applications de la bioingenierie des surfaces concernent des domaines très variés et pouvant être interdisciplinaires. Les besoins identifiés sont très importants et les enjeux socio-économiques conséquents. Cela s'inscrit pleinement dans l'évolution des pratiques médicales actuelles, avec d'une part un fort développement de la médecine régénérative et d'autre part une médecine faisant de plus en plus appel aux micro et nanotechnologies.

    La fonctionnalisation de surface permet en effet de créer une interface entre le matériau sous-jacent, qu'il soit une prothèse, un capteur ou une biopuce et un milieu biologique. Différentes contraintes techniques et/ou règlementaires s'imposent en fonction du type d'utilisation des objets. Une séparation simple entre les usages in vitro ou in vivo peut être faite.

    Les applications dans les domaines de l'analyse in vitro

    Dans ce contexte, l'échantillon est prélevé puis analysé, les contraintes liées à la réaction de l'organisme sont donc levées. Le biosystème, qu'il soit une biopuce, un biocapteur ou un système intégré de type « lab on a chip » doit répondre aux exigences classiques sensibilité/sélectivité résumé par l'obtention finalement du meilleur rapport signal/bruit. Selon les applications, des paramètres de robustesse, justesse peuvent se superposer. Ici aussi, la maîtrise de l'interface capteur (ou surface du système) milieu est primordiale.

    Les applications dans les domaines in vivo

    La médecine régénérative vise à créer des tissus fonctionnels vivants permettant de remplacer des organes ou des tissus absents et/ou lésés. Même s'il y a eu une très grande évolution des implants médicaux : d'implants massifs aux implants biodégradables, d'implants inactifs aux implants actifs, l'implant reste aujourd'hui l'un des 3 éléments de la triade de l'ingénierie tissulaire et ses propriétés de surface revêtent une importance capitale pour accéder au succès thérapeutique.

    Les capteurs et biopiles implantables. Ces objets sont des implants actifs permettant la mesure d'un paramètre biologique ou permettant la génération d'énergie électrique à partir de composés présents dans le milieu biologique (glucose…). Dans tous les cas, la chimie de surface doit d'une part assurer la sélectivité de la réaction et d'autre part assurer l'acceptabilité de l'objet vis-à-vis du milieu vivant à long terme.

    Les nanoparticules pour l'imagerie ou la thérapeutique : Les enjeux sont ici différents, contrairement aux systèmes implantables, la fonctionnalisation doit assurer une clairance rapide, limitant les effets de rémanence à long terme. La fonctionnalisation de surface doit également pouvoir gérer la biodistribution (ciblage…) et ainsi que l'éventuelle furtivité limitant des effets secondaires.



    Contacts

    Directeur :
    Yann Chevolot

    Institut des Nanotechnologies de Lyon UMR 5270


    Directeur Adjoint :
    Luc Vellutini

    Institut des Sciences Moléculaires UMR-5255 CNRS


    Directeur Adjoint :
    Yoann Roupioz

    SyMMES, UMR 5819
    CEA - CNRS - UGA


    Pour contacter tous les membres du GDR :
    Mailling List