Synthèse des nanocristaux de cellulose 1

Nous avons utilisé la méthode de synthèse déjà utilisée au laboratoire²¹³ pour préparer les CNCx (Figure 41).

Figure 41 : Synthèse des nanocristaux de cellulose 1.

Les nanocristaux de cellulose (CNCx) sont obtenus par hydrolyse acide par l’acide sulfurique à 64% des zones amorphes du coton. Ils sont constitués de la partie cristalline des fibres cellulosiques. Ces nanoparticules sont recueillies sous la forme d’une suspension colloïdale stable dans l’eau avec un rendement massique de 60% après centrifugation et dialyse. En tenant compte du fait que

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N. Drogat, R. Granet, C. Le Morvan, G Bégaud-Grimaud, P. Krausz, V. Sol, Bioorg. Med. Chem. Lett., 2012, 22, 3648-3652.

la cristallinité de la source cellulosique utilisée est toujours inférieure ou égale à 73%, le rendement de la réaction obtenu est conforme à la littérature²¹⁴. La stabilité de la suspension résulte du mouvement brownien et est assurée par des répulsions électrostatiques entre groupements sulfate présents sur certaines unités anhydroglucose. Ces interactions répulsives empêchent les CNCx de s’agréger. Ces groupements sulfates sont obtenus lors de l’hydrolyse de la cellulose par réaction d’estérification entre les alcools primaires du polymère et l’acide sulfurique.

I.2.1. Caractérisations

Après purification, les nanocristaux ont été caractérisés par spectroscopie infrarouge (IR), par microscopie électronique à transmission (MET), DLS, potentiel zêta et par DRX.

I.2.1.1Infra rouge (IR)

L’analyse du spectre IR (Figure 42) met en évidence les fonctions caractéristiques de la cellulose à 3340 cm^-1 (νOH), 2896 cm^-1 (νCH) ; 1282 cm^-1 (δCH) ; 1201 cm^-1 (νsC-O : cycle pyranose) ; 1158 cm^-1 (νasC-O-C : pont) et à 1032 cm^-1 (γC-O : C-6).

Figure 42 : Spectre IR des nanocristaux de cellulose 1.

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Ce spectre est semblable à celui de la cellulose microcristalline. Cependant, il apparait deux nouveaux pics de faible intensité à 1280 et 825 cm^-1 correspondant aux bandes d’élongation et de vibration des fonctions sulfates (SO3H).

I.2.1.2 Potentiel zêta

Le potentiel zêta permet de déterminer la charge globale de surface d’une nanoparticule en suspension. Cet indicateur des interactions entre la particule et son milieu environnant permet de déduire la stabilité des colloïdes. La valeur moyenne du potentiel zêta des nanocristaux de cellulose est de l’ordre de –55 mV. Cette valeur négative caractérise la présence de charge sulfate en surface des nanocristaux résultant du traitement par l’acide sulfurique. Ce résultat vient conforter celui obtenu avec le spectre IR.

Pour déterminer la distribution en taille ainsi que la forme de ces nanostructures, une analyse par microscopie électronique à transmission et par diffusion dynamique de la lumière été réalisées.

I.2.1.3Microscopie électronique à transmission

Les nanocristaux de cellulose sont constitués essentiellement d’atomes légers (carbone, hydrogène, oxygène). Ne pouvant pas directement être observés au microscope électronique à transmission car « translucide » aux électrons, des composés de forte masse atomique comme le tétroxyde d’osmium ou l’acétate d’uranyle sont généralement utilisés pour améliorer le contraste de leur image. Ces derniers se fixent préférentiellement au bord des particules, ainsi l’échantillon apparait blanc sur un fond sombre, on parle alors de coloration négative. Pour cette étude, nous avons eu recours à une solution d’acétate d’uranyle 2% (Figure 43).

Figure 43: Photographies des nanocristaux de cellulose (1) obtenues par MET (la barre d’échelle représente à gauche 500 nm et à droite 100 nm).

Les photographies obtenues révèlent des CNCx en forme de bâtonnet ayant des longueurs comprises entre 100 et 150 nm et des largeurs compris entre 10 et 15 nm. Ces résultats sont

conformes à ceux décrits dans la littérature²¹⁵ et valident ainsi la méthode utilisée pour préparer les CNCx.

I.2.1.4 Diffusion de la lumière ou DLS (Dynamic light Scattering)

Le DLS est une technique d'analyse spectroscopique non destructive permettant de déterminer le rayon hydrodynamique ainsi que la distribution en taille de particules en suspension dans un solvant allant de 1 nm à plusieurs centaines de nanomètres de diamètre environ. L’indice de polydispersité (PDI) traduisant ainsi l’homogénéité ou l’hétérogénéité des nanoparticules est compris entre 0 et 1. Plus il tend vers zéro, plus l’échantillon sera homogène. Les mesures de DLS effectuées révèlent que la taille moyenne des CNCx est d’environ 141 nm. Le PDI (indice de polydispersité) est de 0,288, ce qui correspond à un échantillon relativement homogène. Ce résultat est similaire à celui obtenu avec le MET. Les nanocristaux de cellulose obtenus sont donc stables et de taille homogène de l’ordre de 150 nm.

I.2.1.5Diffraction des rayons X (DRX)

La DRX est une technique d’analyse permettant de déterminer les propriétés cristallines d’une matière. Le spectre (Figure 44) ci-dessous nous a permis, grâce aux angles de diffractions 2θ obtenus, d’accéder à l’indice de cristallinité (CrI) ainsi qu’à l’épaisseur des cristallites.

Figure 44 : Diagramme de DRX des nanocristaux de cellulose1.

Cet indice de cristallinité est obtenu à partir de la relation empirique ci-dessous :

CrI = (I₀₀₂ –I_AM).I₀₀₂.

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Où I002 et IAM sont respectivement l’intensité maximale du pic de diffraction du plan (002) et l’intensité diffusée par la phase amorphe. Sur ce spectre, le pic du plan (002) est situé à un angle 2θ de 22,8°. Cependant, l’absence du pic IAM à 18,0°, nous a permis de conclure d’un taux de cristallinité des CNCx de 100%. Ce qui signifie que les zones amorphes de la cellulose ont disparu et confirme la nature cristalline des nanocristaux obtenus.

Cette analyse nous a également permis d'évaluer l'épaisseur (L) des cristallites, à partir de la largeur (H) à mi-hauteur du pic (002) avec la formule de Scherrer ci-dessous :

L = 0,9λ/Hcosθ

Où λ est la longueur d’onde du rayon diffractant (raie Kα1) et θ l’angle de diffraction du pic (002). Les valeurs numériques de θ = 0,3979 rad et λ = 1,54060 Å. Après calculs, la DRX indique une épaisseur des cristallites de l’ordre de 6 nm.

Les nanocristaux de cellulose présentent l’avantage d’être d’origine naturelle, faciles d’obtention et présentent une persistance dans l’organisme supérieure par rapport aux nanoparticules artificielles grâce aux fonctions hydroxyles de surface (on parle de caractère furtif)²¹⁶. Cela permettrait également d’augmenter la biocompatibilité, de diminuer les effets cytotoxiques, et conjointement d’accroitre les temps de rétention dans la circulation sanguine, ce qui augmenterait les chances de cibler la tumeur. Comme cela a été évoqué précédemment, ils pourraient dans le cas du traitement des cancers servir de vecteur de molécules thérapeutiques comme les curcumines. Ces CNCx seront par la suite fonctionnalisés par les cyclodextrines préalablement cationisées.