Elaboration et déformation de systèmes biomimétiques innovants

Elaboration and deformability of biomimetic systems

• Auteur / Autrice : Antoine Bailly
• Direction : Catherine Quilliet, Laurent Heux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Picart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Quilliet, Laurent Heux, Emmanuel Belamie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vance Bergeron, Nicolas Tsapis

Mots clés

Mots clés libres

Biomimétisme

Déformation

Microcapsules

Multicouches

Nanocristaux de cellulose

Hémicellulose

Biomimetism

Deformation

Microcapsules

Multilayers

Cellulose nanocrystals

Hemicellulose

Résumé

La déformation des cellules végétales durant leur croissance génère des formes anisotropes variées. L'enveloppe des cellules en croissance, appelée paroi primaire végétales, est une couche fine, flexible et extensible, faite d'un réseau de microfibrilles de cellulose reliées entre elles par des hémicellulose qui ont une extension directionnelle. Le but de ce travail est d'élaborer des microcapsules biomimétiques possédant une structure similaire à la paroi primaire et d'étudier leur déformation sous une contrainte mécanique. Pour cela, nous avons utilisé les fortes interactions entre les nanocristaux de cellulose (sous-unités des microfibrilles) et les xyloglucanes (hémicellulose la plus répandue) déjà utilisée pour construire des multicouches plan [1]. Pour reproduire la géométrie des cellules, nous avons fabriqué des microcapsules multicouches à partir de nanocristaux de cellulose et de xyloglucanes, en combinant une émulsion d'huile dans l'eau, de dimension de 20µm environ, avec un dépôt couche par couche conduisant à des capsules biomimétiques. La régularité du dépôt de couche a été suivit par un marquage fluorescent sélectif, l'épaisseur et l'organisation de la paroi ont été caractérisées en microscopie électronique. Par séchage et évaporation du coeur d'huile, les capsules ainsi dégonflées présentent diverses formes révélées par des reconstructions 3D à partir de coupes de microscopie confocale. La relation entre les formes obtenus, les dimensions caractéristiques et les propriétés mécaniques de la paroi a été étudiée [2]. Le contrôle de la taille et de l'épaisseur de la capsule permet d'explorer diverses situations de déformations. [1] B. Jean*, L. Heux, F. Dubreuil, G. Chambat & F. Cousin, Non-electrostatic building of biomimetic cellulose-xyloglucan multilayers, Langmuir, 25(7), 3920-3923 (2009) [2] C. Quilliet, C. Zoldesi, C. Riera, A. van Blaaderen, and A. Imhof Anisotropic colloids through non-trivial buckling Eur. Phys. J. E, 27, 13{20} (2008)

The deformation of plant cells during their growth can generate various anisotropic shapes. The envelop of the growing cells, also called primary wall of plants, is a thin, flexible and extensible layer made of a network of cellulose microfibrils linked by hemicellulose tethers, that can have directional extension. The goal of this work is to elaborate biomimetic microcapsules with structures similar to the plant primary walls and explore their deformation under mechanical stress. For that purpose, we took advantage of the strong interaction of cellulose nanocrystals (the microfibrils sub-elements) with xyloglucan (the most common hemicellulose) already used to build planar multilayer systems [1]. In order to reproduce the cell geometry, we successfully build multilayered microcapsules from cellulose nanocrystals and xyloglucans, by combining oil in water emulsions with dimensions around 20 µm with layer-by-layer deposit, leading to biomimetic microcapsules. The regularity of the layer deposition has been followed by selective fluorescent tagging and the wall thickness and organization was characterized by electron microscopy. Upon drying and evaporation of the oily core, the deflated microcapsules exhibited various shapes as revealed by 3D reconstruction from confocal microscopy slices. We have investigate the relationships between the obtained shapes in relation to the characteristic dimensions and the mechanical properties of the wall [2]. The control of the capsule size and thickness allows exploring various situations in terms of deformation behavior. [1] B. Jean*, L. Heux, F. Dubreuil, G. Chambat & F. Cousin, Non-electrostatic building of biomimetic cellulose-xyloglucan multilayers, Langmuir, 25(7), 3920-3923 (2009) [2] C. Quilliet, C. Zoldesi, C. Riera, A. van Blaaderen, and A. Imhof Anisotropic colloids through non-trivial buckling Eur. Phys. J. E, 27, 13{20} (2008)