Des matériaux écolos bien sucrés
Publié par Adrien le 21/01/2019 à 08:00
Source: CNRS Journal
Qu'ils proviennent du monde animal ou végétal, les sucres remplacent de plus en plus les produits dérivés du pétrole. Un succès qu'ils doivent à leurs étonnantes propriétés. Explications.

Saccharose, glucose, fructose, lactose (Le lactose est un glucide présent dans le lait (de 20 à 80g•L−1), dont il tire son nom (étymologiquement sucre de lait).)... La famille des sucres affiche un éventail spectaculaire de molécules qui ne servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) pas seulement à nous rendre la vie (La vie est le nom donné :) plus douce. De la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain...) aux nanotechnologies en passant par l'industrie, les sucres s'invitent aussi dans la conception de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) biosourcésFermerIssus de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le terme de biomasse regroupe...) d'origine animale ou végétale. et respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...). C'est le cas des polysaccharides, composés de briques élémentaires de sucres simples (les monosaccharidesFermerGlucides simples, dit "sucres rapides" du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) alimentaire. Les plus connus dans nos assiettes sont le glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est symbolisé par Glc. Il est directement assimilable par l'organisme.), le fructose (Le fructose (ou lévulose) est un ose (sucre simple non-hydrolysable) du groupe des cétoses, que l'on trouve en abondance dans les fruits, le miel et les sécrétions séminales....), etc.. Ces polymèresFermerTrès grandes molécules constituées de la répétition de nombreuses sous-unités., parfois obtenus à partir de différents sous-produits de l'industrie (agroalimentaire, papetière, etc.), offrent à présent des alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) de choix à la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou...) des dérivés de pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de...).

Le chitosane, extrait des carapaces de crabes et de crevettes et connu depuis 1859, fait partie des plus étonnants. Utilisé comme floculant pour traiter les eaux usées et dans les domaines de la cosmétique (Un cosmétique est une substance ou un mélange destiné à être mis en contact avec diverses parties superficielles du corps humain,...) et de l'alimentaire, " son exploitation a connu une progression depuis une quarantaine d'années, explique Laurent David, professeur à l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Claude-Bernard de Lyon et membre du Laboratoire ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) des matériaux polymères.Grâce auxprogrès techniques, la pureté des produits issus de la biomasse a été améliorée, ce qui nous permet aujourd'hui d'utiliser ces matériaux dans des applications biomédicales."

Des pansements régénérants

Laurent David travaille par exemple sur des hydrogels. Ces produits, composés jusqu'à 99 % d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), ne contiennent qu'une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre...) de polysaccharides tels que le chitosane. "Les tissus vivants sont eux-mêmes des hydrogels, précise le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...). Cette parenté structurale limite les réponses inflammatoires et favorise la reconstruction des tissus."


Les hydrogels de chitosane (à gauche) peuvent stimuler la régénération du tissu nerveux in vivo. Sous forme de tubes (à droite) ils peuvent notamment favoriser la spermatogénèse ex vivo.
Image: IMP

Injectés rapidement après une lésion de la moelle épinière (La moelle épinière, ou moelle spinale, désigne la partie du système nerveux central prolongeant en dessous la medulla oblongata, ou bulbe rachidien, du tronc cérébral, et...), les hydrogels de chitosane sous forme fragmentée peuvent ainsi stimuler la régénération du tissu nerveux in vivo alors que la formation naturelle d'une cicatrice (Une cicatrice est la partie visible d'une lésion du derme après que le tissu se soit réparé, suite à une incision effectuée au cours d'une opération ou à une blessure.) du tissu nerveux ne permet plus le passage d'informations à travers la lésion. De plus, in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule. Un exemple est la fécondation in vitro (FIV)....), ces matériaux très perméables à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), aux nutriments et aux hormones offrent des conditions inédites pour favoriser la spermatogénèse ex vivo et offre ainsi de nouvelles perspectives de préservation de la fertilité (Pour le sens commun, la fertilité désigne à la fin du XXe siècle la capacité des personnes, des animaux ou des plantes à produire une descendance viable et abondante. Le...) chez le jeune garçon ou l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...) adulte infertile.

Le chitosane s'associe également très bien avec d'autres polysaccharides, comme les alginates issus des algues. En collaboration avec les laboratoires Brothier, Laurent David a ainsi conçu des fils de compresses qui aident à la régénération des tissus grâce à l'alliance de ces deux matériaux.

Enfin, son équipe fabrique aussi des fils de chitosane, bons candidats dans la conception de renforts textiles pour traiter des hernies ou des anévrismes des vaisseaux sanguins. Pour ces applications, ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) est intéressant de par sa faible réponse inflammatoire et par sa résorption contrôlable dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

D'autres applications pour purifier l'eau, fixer des colorants ou encore combattre champignons et bactéries (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi...) se profilent aussi à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique, philosophie,...)...

Des résines à haute résolution

Les polysaccharides trouvent aussi des applications surprenantes en microélectronique de pointe. Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) au Centre de recherches sur les macromolécules végétales du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et directeur de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Carnot PolyNat, Redouane Borsali pilote les efforts de huit laboratoires grenoblois dédiés aux matériaux biosourcés à haute valeur ajoutée. Ses travaux sur le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de l'architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) et des propriétés de copolymères biosourcés ont été récompensés par de nombreux prix, dont récemment celui de la Fondation scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) France-Taïwan de l'Académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus...) pour des dispositifs de mémoires à transistors. "Tout passe par les briques élémentaires: il peut s'agir d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) d'un, deux ou trois sucres... détaille le directeur de recherche.Nous allons vers la conception de copolymères biosourcés à architectures contrôlées, afin d'obtenir de nouvelles briques élémentaires. Elles mènent, par autoassemblage, à de nouveaux biomatériaux ultrananostructurés avec quelques nanomètres de résolution."

Ces briques s'assemblent alors d'elles-mêmes, tandis que les chercheurs contrôlent différents paramètres en fonction des propriétés désirées. Dans le cadre européen GreeNanoFilms, Redouane Borsali se sert de copolymères, à base de glucose, saccharose ou encore de cyclodextrine, pour former des films ultraminces, nécessaires aux procédés de lithographie nanométrique. En plus d'être biosourcées, ces résines atteignent une résolution quatre fois meilleure que celles issues de dérivés de pétrole.


Redouane Borsali se sert de copolymères, à base de glucose, saccharose ou cyclodextrine, pour former des films ultraminces (à gauche) notamment grâce à une méthode de fabrication par auto-assemblage dirigé (à droite).
Image: R. BORSALI/CERMAV

"Toshiba, Hitashi, Tokyo Electron... l'industrie microélectronique japonaise s'intéresse beaucoup à nos brevets, s'enthousiasme Redouane Borsali. Avec notre gain de résolution, on peut stocker six fois plus de données sur une même surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) qu'avec un système issu du pétrole. À terme, ce sera vingt ou trente fois plus." Ces matériaux trouvent également des applications dans les LED organiques, les cellules photovoltaïques ou encore pour des biocapteurs sur substrats flexibles.

Des pneus renforcés

Autre matériau constitué de sucres et bien connu dans l'industrie du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un...): la cellulose. Laurent Heux, directeur adjoint du Cermav, en détricote les structures naturelles afin d'isoler les plus petites briques élémentaires possible afin de construire de nouveaux matériaux.

"Nous déstructurons la matière végétale jusqu'à atteindre l'échelle nanométrique, détaille-t-il. Suivant le procédé, on obtient alors des nanocristaux de cellulose, ressemblant à des grains de riz, ou bien des micro/nanofibrilles de cellulose, plutôt en forme de spaghettis." Ces objets ne font que quelques nanomètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur...) et une centaine de nanomètres à plusieurs micromètres de long.

Le contrôle de leur structure a permis à l'équipe du Cermav, en collaboration avec la société Michelin, de renforcer des élastomères employés dans des pneus. Ils ont également conçu des cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.) iridescents, en mimant l'organisation (Une organisation est) de la cellulose dans un fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil....) africain. L'étude de la cellulose rappelle le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le présent. L'intuition du...) de Grenoble comme bastion (Le bastion est un des éléments des fortifications classiques, il remplace dans celles-ci, la tour pour fournir les feux de flanquement sur la courtine et défendre les angles du corps de place. Il est constitué par un talus de terre appuyé sur...) de l'industrie du papier.

Aujourd'hui encore, en plus du Cermav, la capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel, économique...) iséroise accueille le Centre technique du papier et Pagora, école d'ingénieurs spécialisée dans le domaine et travaillant de concert au sein de l'Institut Carnot Polynat. Selon Laurent Heux, l'industrie de la cellulose cherche des débouchés avec une plus forte valeur ajoutée que le papier.

"Divers éléments se télescopent dans l'engouement pour les matériaux biosourcés, avance Laurent Heux. Même s'ils sont parfois frileux en raison de coûts de revient plus importants, les industriels surveillent beaucoup ces matériaux afin de répondre aux contraintes grandissantes sur les dérivés de pétrole et aux évolutions de la législation liées à une demande sociétale pour des matériaux plus respectueux de l'environnement. " La recherche sur les sucres continue en tout cas de proposer de nouveaux résultats, des produits biosourcés aux propriétés et à la valeur ajoutée sans cesse améliorées.
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