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Des antibiotiques greffés sur la cellulose : une nouvelle génération de biomatériaux antimicrobiens

Les chercheurs du Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers sont parvenus à réaliser le premier greffage chimique de pénicilline directement à la surface d’un film de cellulose et ont pu ainsi obtenir un matériau aux propriétés antimicrobiennes de contact inédites.

Date de publication : septembre 2016

Julien BRAS

Représentation visuelle d'un film de nanocelluloses dont la surface a été greffée de pénicilline

Les nanocelluloses, obtenues à partir du bois par un procédé de désintégration des fibres, font partie des biomatériaux les plus prometteurs compte tenu de leurs propriétés mécaniques extraordinaires. L’un des principaux challenges de la recherche actuelle réside dans la capacité à modifier les nanocelluloses pour augmenter leur compatibilité vis-à-vis d’autres molécules et pouvoir mieux les y associer afin de développer à l’échelle industrielle, de nouveaux matériaux aux propriétés et fonctionnalités nouvelles.

C’est dans cette optique que les chercheurs du LGP2 ont mis au point une réaction d’estérification en milieu aqueux permettant de greffer la molécule de pénicilline directement à la surface d’un film de nanocelluloses. Les échantillons ainsi modifiés ont été testés au sein de la Division Papier d’INNOVHUB (Italie) qui a mis en évidence d’une part leurs propriétés antimicrobiennes de contact et d’autre part, l’absence de diffusion de l’antibiotique greffé dans le milieu extérieur.

De tels matériaux strictement actifs par contact sont très prometteurs, en particulier pour des applications en santé et dans l’industrie de l’emballage. 


Ref: Saini S, Belgacem N, Mendes J, Elegir G and Bras J, 2015 : Contact Antimicrobial Surface Obtained by Chemical Grafting of Microfibrillated Cellulose in Aqueous Solution Limiting Antibiotic Release. Applied Materials & Interfaces, 7, 18076-18085.



Un fil enchevêtré aux propriétés mécaniques inédites

Les chercheurs du laboratoire 3SR et leurs collègues de l’ILM Lyon ont conçu un nouveau matériau aux propriétés mécaniques uniques à partir d’un fil super élastique enchevêtré.

Date de publication : février 2016

Laurent ORGEAS

Vue en micro tomographie d'un échantillon constitué d'un fil de NiTi (hauteur de l'échantillon 35 mm) illustrant l'homogénéité interne de la structure

Une légère pression appliquée sur une éponge humide conduit à la réduction de son volume et à l’expulsion de l’eau. A l’inverse si on l’étire, l’éponge accroit son volume et aspire l’eau. La plupart des matériaux poreux se comportent de cette manière. Certains, plus rares, accroissent leur volume lorsqu’ils sont compressés et le réduisent lorsqu’ils sont étirés. Mais pour tous ces matériaux, les variations de volume sont symétriques, se produisant dans des directions opposées en tension et en compression.

Pour la première fois, les chercheurs du laboratoire 3SR et leurs collègues lyonnais ont imaginé une organisation de la matière à méso-échelle capable de rompre cette symétrie, ouvrant d’importantes perspectives d’applications biomédicales ou en génie civil.

Leur matériau poreux, constitué d’un fil unique enchevêtré (image), voit son volume augmenter qu’il soit comprimé ou étiré. De plus, lorsqu’elle est constituée d’un fil élastique ou super-élastique, cette méso-structure est capable de tolérer de nombreux cycles de tension et de compression tout en conservant son incroyable propriété.

Grâce à des simulations numériques par la méthode des éléments discrets couplées à des observations 3D in situ, la mécanique complexe à l’origine du comportement de ce nouveau matériau a pu être analysée : la courbure initiale du fil, son rapport d’aspect et son niveau d’enchevêtrement, combinés à la déformation particulière des spires induite par les contraintes appliquées, sont autant de paramètres qui conduisent à une augmentation globale de la porosité du matériau en tension et en compression. Une bien étrange éponge qui pourrait trouver de nombreuses applications !


Ref: David Rodney, Benjamin Gadot, Oriol Riu Martinez, Sabine Rolland du Roscoat and Laurent Orgéas. Reversible dilatancy in entangled single wire materials. Nature Materials 15, 72–77 (2016).



Des ultrasons de faible intensité pour améliorer la filtration du lait

Une équipe de recherche du laboratoire de Rhéologie et des Procédés a démontré l'efficacité des ultrasons comme moyen d'éviter le colmatage des membranes lors du procédé de filtration du lait.

Date de publication : décembre 2015

Frédéric PIGNON

Caractérisation in-situ par la technique SAXS de la couche d'accumulation des micelles de caséine à proximité de la membrane lors de la filtration tangentielle du lait

Grâce à un dispositif expérimental original basé sur la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), les chercheurs du Laboratoire de Rhéologie et des Procédés et leurs collègues ont pu suivre en temps réel de l’évolution de suspensions de micelles de caséine de lait lors d’un procédé de filtration membranaire.

A l’échelle nanoscopique, ils ont observé qu’une couche colloïdale dense se formait sur la membrane de filtration lors du procédé, maintenue par de fortes interactions entre les micelles. La formation de cette couche visqueuse et sa structure ont été étudiées en temps réel, et corrélées à une baisse importante du flux transmembranaire.

Lorsque des ultrasons de faible intensité sont appliqués, les observations nanoscopiques révèlent une nette déstructuration de la couche colloïdale dense à proximité de la membrane, et de manière simultanée, une augmentation significative du flux de perméation membranaire.

Ces résultats uniques pourraient trouver des applications intéressantes dans l’industrie laitière, où la filtration membranaire est largement utilisée et se heurte au problème majeur de l’encrassement des membranes.


Ref: Y. Jin, N.Hengl, F. Pignon, N. Gondrexon, M. Sztucki, G. Gésan-Guiziou, A. Magnin, M. Abyan, M. Karrouch, D. Blésès. Effect of ultrasound on cross-flow ultrafiltration of skim milk: characterization from macro-scale to nano-scale, J. Memb. Sci 470 (2014) 205-2018.



Grain y es-tu ?

En associant observations expérimentales et modélisation mécanique, les chercheurs d’IRSTEA Grenoble ont mis au point une méthode de calcul pour simplifier l’identification des grains de neige dans le réseau de cristaux de glace constituant la neige.

Date de publication : juin 2015

Guillaume CHAMBON

Vue 3D d’un échantillon de neige (1 cm3). La segmentation des grains est obtenue par la méthode classique de calcul des contraintes mécaniques (en noir)

et grâce au nouvel algorithme utilisant des indices géométriques (zones en rose).

La neige est constituée de cristaux de glace soudés les uns aux autres formant un squelette complexe. A l’échelle microscopique, ce réseau de glace présente des zones de faiblesses qui délimitent des particules individuelles appelées grains de neige. Les déformations rapides de la neige sont principalement pilotées par la dynamique de ces grains, leur réarrangement spatial et les interactions de contact. Ainsi, lorsqu’il s’agit de comprendre le comportement mécanique de la neige lors du déclenchement des avalanches par exemple, l’identification fine des grains est une étape capitale.

 

En comparant la répartition des contraintes mécaniques dans un échantillon de neige et sa microstructure 3D, les chercheurs d'IRSTEA ont mis au point un algorithme qui utilise des indices morphologiques pour déterminer les zones de potentielle faiblesse dans la matrice de glace et ainsi simplifier l’identification des grains de neige.

 

Par rapport aux méthodes d’identification basées sur le calcul des contraintes mécaniques en tout point de la matrice, ce nouvel algorithme permet une réduction des temps de calcul d’un facteur 20. Un tel résultat autorise une meilleure prise en compte de la nature granulaire de la neige dans les simulations numériques, en particulier dans le cas de phénomènes de déformations rapides où les réarrangements massifs de la microstructure rendent les calculs directs particulièrement lourds.


Ref: P. Hagenmuller, G. Chambon, F. Flin, S. Morin and M. Naaim: Snow as a granular material: assessment of a new grain segmentation algorithm. Granular Matter 16: 421-432.



Des micro moteurs liquides : les muscles des cellules

En couplant approche numérique et expérimentale, les chercheurs du Laboratoire Interdisciplinaire de Physique et leurs collègues de Paris ont récemment élucidé les mécanismes par lesquels une cellule adapte sa forme et régule les forces de traction qu’elle exerce sur un substrat.

Date de publication : février 2015

Jocelyn ETIENNE

Vue en microscopie optique d’une cellule isolée soumise à une force de traction verticale entre deux plaques parallèles.
La plaque supérieure sert de nano dynamomètre pour mesurer la réponse de la cellule à la force exercée (Photo MSC, Paris Diderot)

Tout comme les muscles, nos cellules appliquent des forces sur leur environnement. Cette mobilité est au cœur de nombreux processus tels que la division cellulaire, l’embryogénèse, la cicatrisation ou encore l’immunité.

 

Bien que les molécules impliquées soient les mêmes dans les cellules et dans les muscles, elles sont organisées de manière différente : structure cristalline ordonnée de type solide dans les muscles, réseau d'actomyosine amorphe de type liquide dans les cellules non musculaires.

 

Un groupe de chercheurs grenoblois et parisiens ont récemment montré qu’en dépit de cette différence majeure, les propriétés motrices des muscles et des cellules étaient régies par une mécanique similaire. En comparant leurs résultats expérimentaux aux prédictions d’un modèle rhéologique, ils ont pu décortiquer et quantifier le rendement énergétique d’une cellule exerçant des forces sur son substrat, clarifiant ainsi les mécanismes qui confèrent à nos cellules cette incroyable capacité d’adaptation morphologique à leur environnement.


RefJ. Etienne, J. Fouchard, D. Mitrossilis, N. Bufi, P. Durand-Smet and A. Asnacios: Cells as liquid motors. Mechanosensitivity emerges from collective dynamics of actimyosin cortex. PNAS 112(9):2740–2745



Ondulations, vagues, gouttelettes : quand le virtuel rejoint la réalité

Les chercheurs du LEGI et leurs collègues du Consortium d'Atomisation Assistée Virtuelle viennent de faire un grand pas dans la simulation des instabilités d'interface observées lors de l'atomisation d'un film liquide par un jet de gaz à grande vitesse. 

Date de publication : mars 2014

Alain CARTELLIER

Atomisation assistée de films liquides: expériences et simulations issues du projet VAA mené par les laboratoires LEGI, IJLRDA, CORIA and IMFT

Lorsqu’un gaz à haute vitesse entre en contact avec un liquide, il se forme un ensemble d’ondulations, de vagues et de gouttelettes. Le phénomène d'atomisation que l'on observe facilement à la crête d’une vague par exemple, est également au cœur du fonctionnement de certains systèmes de propulsion. Dans ces moteurs, le rendement et la fiabilité dépendent directement des caractéristiques des gouttelettes produites et de leur comportement.

En combinant des expérimentations en conditions contrôlées et des simulations numériques, les chercheurs du consortium d’Atomisation Assistée Virtuelle ont mis au point un modèle afin de mieux comprendre où se forment ces gouttelettes, dans quelles proportions, et de calculer leurs tailles et leurs vitesses. Ce code numérique à la pointe donne aujourd’hui accès à la simulation de conditions d’écoulements sévères équivalentes à celles en jeu dans les systèmes d’injection assistée par gaz de l’aéronautique. Le consortium VAA travaille aujourd’hui activement à l’amélioration des temps de calculs nécessaires.

Plus de videos :Lien 1 ; Lien 2


Ref : Fuster D, Matas JP, Marty S, Popinet S, Hoepffner J, Cartellier A and Zaleski S, Instability regimes in the primary breakup region of planar coflowing sheets, J. Fluid Mech., 736 150-176 (2013)



Des algues nageuses photosensibles ouvrent des applications dans les bio-procédés

En étudiant le comportement d'algues nageuses, les chercheurs du laboratoire Interdisciplinaire de Physique ont découvert un phénomène de concentration des algues sous l'effet de la lumière qui pourrait avoir d'intéressantes applications en génie des procédés notamment.

Date de publication : juillet 2013

Salima RAFAI

Chlamydomonas reinhardtii est une micro algue nageuse sensible à la lumière. Une équipe du Laboratoire Interdisciplinaire de Physique de Grenoble a étudié le comportement d’une population de cette algue dans un écoulement. Les résultats montrent que ce microorganisme a tendance à migrer spontanément vers le centre de l’écoulement lorsqu’une source lumineuse est placée à l'amont du courant.

Ce phénomène de concentration se produit sous l’effet couplé de la vorticité du fluide et des mouvements natatoires des algues attirées par la lumière.

Dans les procédés de bioconversion, séparer les microorganismes de leur milieu de culture pour le collecter est une des étapes clés. Utiliser cette photosensibilité constituerait une solution simple pour résoudre ce problème. D’autres applications sont également ouvertes, notamment pour la détection de contaminants dans l’eau. En effet cette algue, très sensible à son environnement, perd son phototactisme en présence de certains polluants, ce qui en fait un excellent candidat pour le développement de biocapteurs à haute sensibilité.


Ref: Garcia X, Rafaï S, Peyla P (2013) Light Control of the Flow of Phototactic Microswimmer Suspensions. Phys. Rev. Lett.



Caractérisation tri-dimensionnelle de la dynamique de déformation d'un matériau granulaire

Pour la première fois, les chercheurs du laboratoire 3SR ont pu suivre les déplacements de plus de 50 000 grains de sable en 3D par microtomographie X.

Date de publication : avril 2013

Edward ANDO

Imagerie 3D en microtomographie X d’un assemblage de grains de sable (niveaux de gris)

et des angles de rotation de chaque grain (échelle de couleurs) sous contrainte axiale

Chaque grain a été identifié par ses caractéristiques géométriques tridimensionnelles, et la mesure des mouvements (déplacement et rotation des grains) obtenue par comparaison d'images (une image est prise à chaque réduction de la taille de l'échantillon de 0.22 mm soumis à une contrainte verticale constante).

Cette technique ouvre la voie vers une meilleure compréhension de la déformation dans les milieux granulaires par l'étude de la dynamique à l'échelle des particules. 


Ref:  Andò E, Hall S A, Viggiani G, Desrues J, Bésuelle P (2012) Grain-scale experimental investigation of localised deformation in sand: a discrete particle tracking approach. Acta Geotechnica.



Les premières images 3D de la structure d’un biofilm sous rayonnement X

Grâce à une collaboration avec l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), les chercheurs du laboratoire 3SR ont réalisé la première  observation tri dimensionnelle de la structure d’un biofilm bactérien agrégé sur un lit de biolite.

Date de publication : janvier 2013

Sabine ROLLAND

DU ROSCOAT

Imagerie 3D d’un biofilm bactérien (en mauve) agrégé sur des particules solides de biolite (en jaune)

 La prolifération de biofilms notamment dans les bio-réacteurs constitue l’une des problématiques clés du fonctionnement des procédés de filtration biologique. Un tel résultat ouvre la voie vers une meilleure compréhension du processus de bio-filtration, et sera applicable à tout procédé affecté par le comportement de biofilms.

Contact scientifique : Sabine Rolland du Roscoat.