Cristaux synthétiques bio-inspirés

par Clémentine Colas

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Corinne Chevallard et de Virginie Chamard.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux la Biomédecine et l'Énergie (laboratoire) , Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramolécualire (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Les organismes vivants sont capables de produire des structures minéralisées (dents, os, exosquelettes) dont les formes et les propriétés mécaniques sont parfaitement adaptées à la fonction biologique ciblée [1]. Cette « biominéralisation » fait l'objet d'intenses recherches car la compréhension fine des mécanismes sous-jacents est indispensable à la fabrication de matériaux par des voies de synthèse bio-inspirées, caractérisées par un faible apport énergétique. L'étude de la production de structures minérales à base de carbonate de calcium chez les organismes marins calcifiants (mollusques, coraux, éponges) a permis de montrer que la biocristallisation calcaire s'effectue toujours en présence de molécules organiques, de sorte que le minéral formé est en réalité un matériau hybride organique-inorganique [1]. Par ailleurs, dans un certain nombre de cas, un état transitoire amorphe de la phase minérale a été mis en évidence, qui pourrait expliquer les morphologies complexes observées [2]. Un troisième trait commun aux biocristaux calcaires est l'existence d'une nanostructuration [3]. Plus précisément, les biocristaux calcaires se présentent comme des assemblages compacts de « granules » de forme arrondie, dont le diamètre apparent varie entre 50 et 500 nm [4]. Cette nanostructuration a été observée de manière répétée chez des biocristaux calcaires présentant pourtant des morphologies extrêmement variées à l'échelle macroscopique (coques, épines, valves, etc.) Bien que de forme arrondie, les granules sont cristallins, et des mesures ont montré que l'ordre cristallin se propage sans perturbation sur une distance de quelques granules [5]. La très forte ressemblance structurale des biocristaux calcaires à l'échelle du granule laisse penser que des mécanismes génériques sont à l'œuvre dans la formation des structures minérales à cette échelle. La nanostructuration granulaire des biocristaux calcaires, tout autant que l'existence d'un état transitoire amorphe du minéral, ne peut s'expliquer dans le cadre de la théorie classique de la nucléation/croissance cristalline. Celle-ci décrit en effet tout cristal comme résultant de l'ajout successif de monomères/ions dans un édifice immédiatement ordonné, sans intermédiaires structuraux, notamment amorphes. Le suivi in vivo des processus de biominéralisation étant clairement hors d'atteinte, la reproduction in vitro des structures biominérales à l'aide de synthèses bio-inspirées est la seule alternative permettant d'identifier les mécanismes essentiels de la biominéralisation. De telles études, associées à une caractérisation structurale des cristaux produits, ont ainsi été menées depuis quarante ans. Elles ont permis d'établir des scénarios alternatifs de nucléation/croissance, tels que la formation de mésocristaux par agrégation orientée de nanoparticules cristallines [6]. La fusion des nanoparticules, ou « granules », après agrégation, augmenterait la portée de l'ordre cristallin, en accord avec les observations réalisées sur les cristaux biogéniques [7]. Cependant, la forme arrondie des granules suggère un mécanisme légèrement différent, dans lequel la structuration se produirait par agrégation puis cristallisation de nanoparticules amorphes [8]. Un scénario plus spécifiquement exploré est le procédé dit PILP (Polymer Induced Liquid Precursor) [9], par lequel des granules amorphes sont produits par solidification d'une phase liquide enrichie en minéraux, elle-même formée par séparation de phase liquide-liquide. Une transition amorphe/cristal permettrait ensuite la formation de grands domaines cristallins iso-orientés. Un scénario de type PILP serait par ailleurs en accord avec l'absence probable de porosité dans l'assemblage granulaire des biominéraux calcaires. Bien que ce scénario apparaisse très adapté à décrire la biominéralisation [10], la démonstration de sa pertinence reste encore à établir, en raison de la difficulté à comparer, à l'échelle de longueur pertinente, les structures synthétisées par voie PILP et les structures biogéniques. L'objectif du travail de thèse sera de tester la pertinence d'un scénario de type PILP à décrire les mécanismes de biominéralisation et, le cas échéant, de proposer un modèle. Celui-ci devra préciser les voies physico-chimiques capables d'expliquer la formation, à partir d'un précurseur liquide, de monocristaux de taille microscopique à sous-structure granulaire. Dans ce but, nous effectuerons des synthèses faisant intervenir un processus PILP, en utilisant dans un premier temps des polyélectrolytes synthétiques comme le poly(acide aspartique) ou le poly(acide acrylique) [11]. Cela devra permettre d'identifier les conditions (pH, concentration en minéraux et matière organique, etc.) induisant la formation de cristaux synthétiques de structure semblable à celle des biominéraux calcaires (existence de granules, domaines de cohérence étendus, structure cristalline donnée). Nous déterminerons ensuite si le processus PILP peut se développer en présence de matière organique extraite des biominéraux. Ceci sera fait en collaboration avec la station IFREMER de Polynésie française, qui fournira la fraction organique soluble de la coquille (soit 0,1% du poids total de la coquille) de l'huître perlière Pinctada m. Nous considérerons enfin quelques protéines individuelles appartenant à cette fraction soluble, supposées jouer un rôle majeur dans le processus de biocristallisation. Les cristaux produits par voie PILP, en présence de composés organiques synthétiques ou biologiques, seront d'abord caractérisés par des techniques de laboratoire (microscopie optique, AFM, SEM/TEM, spectroscopie infrarouge/Raman, diffraction de rayons X). Leur description structurale fine sera ensuite réalisée en utilisant la ptychographie de Bragg, une technique d'imagerie 3D par rayons X nécessitant des mesures sur source synchrotron, développée par V. Chamard et coll. [12] et appliquée tout récemment aux biocristaux calcaires [13]. Cette méthode, capable de quantifier la cohérence cristalline et la morphologie des domaines cristallins, assurera un suivi unique des voies de minéralisation. Le travail de thèse sera réalisé en collaboration avec V. Chamard (Institut de Fresnel, Marseille) et G. Le Moullac (IFREMER, Polynésie française) sous la direction conjointe de C. Chevallard (CEA Saclay) et V. Chamard. Le doctorant sera hébergé au CEA Saclay (IRAMIS/NIMBE) et séjournera pour de courtes périodes à l'Institut Fresnel afin de réaliser certaines caractérisations des biocristaux. Des sessions d'expériences sur synchrotrons français ou suisse seront programmées 2 ou 3 fois par an. L'intégralité du financement de cette thèse est apportée par l'Europe au travers son soutien au projet ERC 3D-BIOMAT.

  • Titre traduit

    Bio-inspired synthetic crystals


  • Résumé

    -- -- Living organisms are able to produce mineralized structures (teeth, bones, exoskeletons), with shapes and mechanical properties that are perfectly adapted to the targeted biological function [1]. This 'biomineralization' is the subject of intense research, as a thorough understanding of the underlying mechanisms is essential for the production of materials using bio-inspired synthesis pathways, characterized by a low energy intake. The study of the calcium carbonate structures produced by calcifying marine organisms (molluscs, corals, sponges) has shown that calcareous biocrystallization is always carried out in the presence of organic molecules, so that the mineral is actually a hybrid organic-inorganic material [1]. Moreover, in a number of instances, an amorphous transient state of the mineral phase has been detected, which could explain the observed complex morphologies [2]. A third common feature of calcareous biocrystals is the existence of nanostructuring [3]. More precisely, calcareous biocrystals are compact assemblages of rounded 'granules', with an apparent diameter lying between 50 and 500 nm [4]. This nanostructuring has been repeatedly observed in calcareous biocrystals which nevertheless show extremely varied morphologies at the macroscopic scale (shells, spines, valves, etc.). Although of rounded shape, the granules are crystalline, and measurements have shown that the crystalline order propagates without disturbance over a distance of a few granules [5]. The very strong structural resemblance between calcareous biocrystals at the granule scale suggests that generic mechanisms are at work in the formation of mineral structures at this scale. The granular nanostructuring of calcareous biocrystals, as well as the existence of an amorphous transient state of the mineral, cannot be explained in the context of the classical theory of crystalline nucleation/growth. Indeed this one describes any crystal as resulting from the successive addition of monomers/ions in an immediately ordered structure, without less ordered intermediates, such as amorphous intermediates. Because the in vivo monitoring of the biomineralization processes is clearly out of reach, the in vitro production of biomineral structures using bio-inspired syntheses is the only alternative to identify the essential mechanisms of biomineralization. Such studies, associated with a structural characterization of the produced crystals, have been conducted for forty years. They made it possible to establish alternative nucleation/growth scenarios, such as the formation of mesocrystals via the oriented aggregation of crystalline nanoparticles [6]. The fusion of the nanoparticles, or 'granules', following aggregation, would increase the range of the crystalline order, in agreement with the observations made on the biogenic crystals [7]. However, the rounded shape of the granules suggests a slightly different mechanism, in which the structuring would occur by aggregation and then crystallization of amorphous nanoparticles [8]. A more specifically explored scenario is the so-called Polymer Induced Liquid Precursor (PILP) process [9], whereby amorphous granules are produced by solidification of a mineral-enriched liquid phase, itself formed by liquid-liquid phase separation. An amorphous/crystal transition would then allow the formation of large iso-oriented crystalline domains. A PILP scenario would also be in agreement with the likely absence of porosity in the granular assembly of calcareous biominerals. Although this scenario appears to be very suitable for describing biomineralization [10], the demonstration of its relevance is still pending, owing to the difficulty of comparing, at the relevant length scale, the structures synthesized following a PILP process and the biogenic structures. The aim of the PhD work will be to assess the relevance of a PILP scenario to describe the mechanisms of biomineralization and, if necessary, to propose a model. This one will have to specify the physicochemical ways able to explain the formation, starting from a liquid precursor, of microscopic sized monocrystals with granular sub-structure. For this purpose, we will carry out syntheses involving a PILP process, first using synthetic polyelectrolytes such as polyaspartic acid or polyacrylic acid [11]. This should make it possible to identify conditions (pH, concentration of minerals and organic matter, etc.) which induce the formation of synthetic crystals, the structure of which is similar to that of calcareous biominerals (existence of granules, extended coherence domains, given crystalline structure). We will then determine whether the PILP process can develop in the presence of organic matter extracted from biominerals. This will be done in collaboration with the IFREMER station in French Polynesia, which will supply the soluble organic fraction of the shell (i.e. 0.1% of the total shell weight) of the pearl oyster Pinctada m. We will finally consider a few individual proteins, belonging to this soluble fraction, which are supposed to play a major role in the biocrystallization process. The PILP-produced crystals, in the presence of synthetic or biological organic compounds, will first be characterized by laboratory techniques (optical microscopy, AFM, SEM / TEM, infrared / Raman spectroscopy, X-ray diffraction). Their fine structural description will then be realized using the Bragg ptychography method, a 3D X-ray imaging technique requiring synchrotron source measurements, developed by V. Chamard et al. [12] and recently applied to calcareous biocrystals [13]. This method, capable of quantifying the crystalline coherence and the morphology of the crystalline domains, will ensure a unique follow-up of the mineralization pathways. The PhD work will be conducted in collaboration with V. Chamard (Institut de Fresnel, Marseille) and G. Le Moullac (IFREMER, French Polynesia) under the joint supervision of C. Chevallard (CEA Saclay) and V. Chamard. The doctoral student will be hosted at CEA Saclay (IRAMIS/NIMBE) and will stay for short periods of time at the Fresnel Institute to carry out some characterizations of biocrystals. Experimental sessions on French or Swiss synchrotrons will be scheduled 2 or 3 times a year. The entire funding of this thesis is provided by Europe through its support to the ERC 3D-BIOMAT project.