Soutenance de thèse de Viraj NIRWAN

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Hybrid materials,Nanoparticles,Electrospinning,
Keywords
Electrospinning,Nanofibers,Hybrid materials,
Titre de thèse
Electrospun Hybrid Nanofibers/Nanomats Functionalized with Ligand-Free Nanoparticles as a Platform for Biomedical Applications
Electrospun Hybrid Nanofibers/Nanomats Functionalized with Ligand-Free Nanoparticles as a Platform for Biomedical Applications
Date
Vendredi 30 Avril 2021
Adresse
Rhein-Waal University of Applied Sciences Marie-Curie-Straße 1 D-47533 Kleve, Germany
0603043
Jury
Directeur de these M. Andrei KABASHIN Aix-Marseille Université, CNRS, UMR 7341, LP3, France
Examinateur M. Amir FAHMI Rhine-Waal University of Applied Sciences
CoDirecteur de these M. Ahmed AL-KATTAN Aix-Marseille Université, CNRS, UMR 7341, LP3, France
Rapporteur Mme Tatiana ITINA Univ Lyon, UJM-St-Etienne, Laboratoire Hubert Curien, CNRS UMR 5516
Rapporteur M. Tomasz KOWALCZYK Institute of Fundamental Technological Research, Polish Academy of Sciences
Examinateur Mme Fang YANG Department of Biomaterials, Radboud Institute for Molecular Life Sciences, Radboudumc
Examinateur M. Yanqiu ZHU College of Engineering, Mathematics and Physical Sciences, University of Exeter, Exeter

Résumé de la thèse

Les nanofibres hybrides sont des matériaux de choix, présentant des propriétés uniques de nanomatériaux fonctionnels. Elles sont composées de parties organique et inorganique, où la fraction organique constitue la structure de la nanofibre tandis que la faction inorganique représente la partie fonctionnelle. La méthode d’électrofilage (electrospinning) permet la fabrication de multitude de nanofibres de formulation variée avec la possibilité d’incorporer des agents fonctionnels, telles que des nanoparticules inorganiques ou encore des molécules d’intérêt. Ce procédé permet aussi la production à grande échelle de nanofibres fabriquées à partir d’une large gamme de polymères biocompatibles et biodégradables. Grâce à leurs propriétés physico-chimiques spécifiques, ces nanofibres hybrides peuvent ainsi être utilisées comme matrices pour l’immobilisation d’objets (ex., ions, métaux lourds, cellules) pour divers applications, notamment la filtration, l'ingénierie tissulaire, ou encore la théranostique. Dans ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à l'électrofilage de polymères biodégradables, possédant une bioactivité élevée et une faible toxicité, en particulier pour les applications biomédicales. Ainsi en utilisant cette approche, des nanofibres multifonctionnelles ont été fabriquées à partir de polymères tels que le chitosane, le poly(oxyde d'éthylène)(PEO), le polystyrène (PS) ou encore que la polycaprolactone (PCL). Les nanofibres ont été caractérisées par diverses techniques telles que la microscopie, la spectroscopie, les analyses thermiques, en plus des études de toxicité et de biocompatibilité. Afin d'améliorer les propriétés intrinsèques des nanofibres et/ou d'acquérir des fonctionnalités nouvelles de therapie et/ou de diagnostic, nous avons associé les nanofibres à divers types de nanoparticules (NP) comme additifs fonctionnels. Dans ce travail, nous avons ainsi choisi l'ablation laser ultra-pulsée comme technique de synthèse des NP. En effet, ce procédé permet la synthèse de NP monodisperse et ultra-propres, sans ligand, en comparaison aux méthodes de synthèses chimiques souvent utilisées. Grâce à cette approche, nous avons ainsi démontré la possibilité de fonctionnalisée des nanofibres hybrides de chitosan(PEO) avec des NP de silicium et d’or. Nous avons ainsi montré par exemples, que l’incorporation de ces NP permettait la réduction du diamètre des fibres sans aucune interférence sur leur composition. De plus, nous avons établi un protocole de neutralisation des nanofibres fonctionnalisées permettant l’obtention de nanofibres de chitosan pur (sans PEO) sans altéré la structure de la matrice fibreuse. Dans ce travail de thèse, d'autres formulations de nanofibres ont été fabriquées en mélangeant des polymères inorganiques tels que les poly (ferrocénylphosphinoboranes) avec des homopolymères synthétiques tels que le polystyrène (PS) et le poly (oxyde d'éthylène) (PEO) pour répondre à des applications en catalyse, filtrage sélectif et transfert de charge. Ici, le procédé d’électrofilage a permis l’association d'entités dissemblables dans de simples structures 2D de nanofibres. Par ailleurs, nous nous sommes également interssés à la fonctionnalisation de nanofibres à base de polycaprolactone (PCL) par des NP de TiN fabriquées par procédé laser. Les nanofibres ont été analysées à l'aide de techniques physico-chimiques habituelles, tandis que les premières études de compatibilité biologique et de toxicité n'ont montré aucun effet indésirable sur la croissance cellulaire en présence de NP. Ainsi ces matrices de nanofibres hybrides ayant la possibilité d’incorporer des NP de différentes compositions peuvent être d’un atout majeur dans l’élaboration de nanofibres multifonctionnelles pour des applications en ingénierie tissulaire, la filtration, la catalyse et la théranostique.

Thesis resume

Nanostructured hybrid materials in particular electrospun nanofibers received significant attention due to their unique collective properties and their used in wide range of applications such as filtration membranes, superhydrophobic protective layer for clothing, nanocatalysts, and tissue engineering scaffolds. The generated hybrid nanofibers via electrospinning techniques possess large surface area to volume, superior mechanical properties, improved cavity size and porosity, flexibility and possibility of surface modifications became extraordinary functional biomaterials. In principle there are multiple mechanisms driving the fabrication of hybrid nanofibers which include template synthesis, self-assembly, phase-separation, and electrospinning. Compared to other methods, electrospinning is regarded as simple yet efficient mechanism for the fabrication of nanofibers. Here, two different methods were used to fabricate nanoparticles. For instance, gold (AuNPs) nanoparticles obtained by wet chemistry method required several toxic chemicals throughout the process which might dampen their biocompatibility, exclusively for biological applications. Hence, pulsed laser ablation in liquid (PLAL) was preferred here for the synthesis of gold (AuNPs) and titanium nitride (TiN NPs) nanoparticles. With the applications of PLAL, it was possible to obtain ultraclean, bare (ligand-free), dispersed nanoparticles (NPs). The application of laser ablative approach avoided bio-toxic chemicals which minimized the toxicity of NPs. In this thesis, an emphasis was given to combine the advantages of electrospun nanofibers and immobilization of metallic nanoparticles and inorganic polymers into multifunctional hybrid nanofibers. The process of obtaining uniform, non-woven hybrid nanofibers is very complex due to interdependency of multiple electrospinning parameters and properties of precursor solutions. Therefore, several optimization studies were required for each hybrid nanofiber system. Electrospun hybrid nanofibers were analyzed by a selection of techniques such as microscopy, spectroscopy, and thermal analyses, beside toxicity and bio-compatibility studies. First, PEO-chitosan blended nanofibers were electrospun and functionalized with AuNPs, synthesized via both wet-chemistry and pulsed laser ablation processes. Here, effects of preparation conditions and the presence of functionalisation agents on physio-chemical properties of functionalised nanofibers were investigated. Thereafter, pure chitosan (AuNPs) nanofibers were obtained from an improved formulation with higher concentrations of chitosan and bare laser-ablated AuNPs in electrospinning solution. After electrospinning, nanofibers were processed resulting in neutralization of -NH3+ group of chitosan leading to simultaneous dissolution of PEO present in nanofibers and thus, left chitosan and AuNPs as only elements forming the scaffold matrix. Other promising hybrid nanofibers were fabricated by blending smart inorganic polymers namely poly (ferrocenylphosphinoboranes) with synthetic homopolymers such as polystyrene (PS) and poly (ethylene oxide) (PEO) to address applications in catalysis, selective filtering, and charge transfer. Here, the electrospinning proved to be a complex, but controllable tool for the incorporation of dissimilar entities into simple nanofiber 2D-structures. Furthermore, this approach makes possible the employment of various collector types to produce efficient scaffolds for the incubation of cells in tissue-engineering applications. Finally, the thesis reports the fabrication of polycaprolactone (PCL)-based nanofibers decorated with (ultra-clean) bare laser-ablated TiN NPs. Then the nanofibers were analysed using usual physico-chemical techniques, while biological compatibility and toxicity studies showed no adverse effect on the cell growth in presence of TiN NPs in scaffolds.