Self-assembly of functionalized polysaccharides : a thermodynamic approach
Auto-assemblage de polysaccharides fonctionnalisés : une étude thermodynamique
Résumé
Polymers in solution can self-assemble to form different types of complexes (coacervates, aggregates, etc.). These objects, in addition to being part of the cellular organization, can be repurposed to encapsulate molecules of interest. However, before being able to use them as such, the understanding of the self-assembly mechanisms is essential to be able to control them and thus form targeted objects. This thesis work focuses on the self-assembly between gum Arabic and chitosan. The interactions involved in associative phase separation are mainly based on electrostatic interactions. Initially, the formation of this complex was analyzed from a thermodynamic point of view by isothermal calorimetric titration, depending on the physicochemical parameters, in particular the pH, the temperature and the molar ratio. It was thus demonstrated that an increase in temperature or pH favored enthalpy and disfavored entropy and that it was possible to form coacervates under all studied conditions by controlling the pH/temperature combination. To change the number and nature of the interactions between polysaccharides, they were modified by enzymatic pathway. A process developed at the laboratory, based on the use of a laccase to oxidize ferulic acid, has been implemented. First, the modification of gum Arabic was demonstrated, in particular with the support of spectroscopic tools (IR-FT, NMR). In addition, the structure of the numerous oxidation products has been studied (NMR, LCMS). The products obtained are mainly ferulic acid dimers and a complete structure has been elucidated. The products grafted on the gum are of phenolic nature so their grafting has an impact on its techno-functional properties (water solubility, thermal and rheological behavior, surface tension, antioxidant properties, etc.). Finally, the grafting of phenolic compounds modified the polysaccharides hydrophobia and charges, so they were mixed in order to determine the impact of these new groups on the interactions involved in the self-assemblies and the nature of the complexes formed. Under given conditions and depending on the polysaccharides used, it is possible to form coacervates, aggregates or even a mixture of both. The formation of these objects was correlated with a study of the thermodynamic parameters involved. These results paves the way for understanding and controlling complexation between polysaccharides that, in the longer term, will lead to applications in the field of encapsulation.
Les polymères en solution peuvent s’auto-assembler pour former différents types de complexes (coacervats, agrégats, etc.). Ces objets, en plus de régir l’organisation cellulaire peuvent être détournés pour encapsuler des molécules d’intérêt. Cependant, avant de pouvoir les utiliser en tant que tel, la compréhension des mécanismes d’auto-assemblage est indispensable pour pouvoir les contrôler et ainsi former des objets à façon. Ce travail de thèse porte sur l’auto-assemblage entre la gomme d’Acacia et le chitosane. Les interactions mises en jeu lors de la séparation de phases associatives reposent principalement sur des interactions électrostatiques. Dans un premier temps, la formation de ce complexe a été analysée d’un point de vue thermodynamique par titration calorimétrique isotherme, en fonction des paramètres physico-chimiques, en particulier du pH, de la température et du ratio molaire. Il a ainsi été démontré qu’une augmentation de température ou de pH favorisait l’enthalpie au dépend de l’entropie et qu’il était possible de former des coacervats dans toutes les conditions étudiées en jouant sur le couple pH/température. Pour changer le nombre et la nature des interactions entre les polysaccharides, ces derniers ont été modifiés par voie enzymatique. Un procédé développé au laboratoire reposant sur l’utilisation d’une laccase pour oxyder l’acide férulique a été mis en œuvre. Dans un premier temps, la modification de la gomme d’Acacia a été démontrée, notamment grâce à des outils spectroscopiques (FTIR, RMN). De plus, la structure des nombreux produits d’oxydation a été étudiée (RMN, LCMS). Les produits obtenus sont majoritairement des dimères d’acide férulique et une structure complète a été élucidée. Les produits greffés sur la gomme étant de nature phénolique, leur greffage a un impact sur les propriétés techno-fonctionnelles de cette dernière (solubilité dans l’eau, comportements thermique et rhéologique, tension de surface, propriétés antioxydantes, etc.). Enfin, le greffage de composés phénoliques modifiant l’hydrophobie et les charges des polysaccharides, des auto-assemblages entre les différents polymères ont été réalisés pour déterminer leur impact sur les interactions mises en jeu et la nature des complexes formés. Dans des conditions données et en fonction des polysaccharides mis en présence, il est possible de former des coacervats, des agrégats voire un mélange des deux. La formation de ces objets a été corrélée avec une étude des paramètres thermodynamiques mis en jeu. Ces résultats ouvrent de nouvelles voies dans la compréhension et le contrôle de la complexation entre polysaccharides qui, à plus long terme, déboucheront sur des applications dans le domaine de l’encapsulation.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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