Développement de la RMN hyperpolarisée par DNP pour l'élucidation de la chimie de surface des nanocelluloses et de la structure de la paroi cellulaire secondaire des plantes / Akshay Kumar ; sous la direction de Gaël De Paëpe

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Catalogue Worldcat

Nanocellulose

Promédicaments

Métronidazole

Ciprofloxacine

Résonance magnétique nucléaire

Chimie des surfaces

Paroi cellulaire végétale

Classification Dewey : 540

De Paëpe, Gaël (Directeur de thèse / thesis advisor)

Heux, Laurent (Président du jury de soutenance / praeses)

Isogai, Akira (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Bonhomme, Christian (1967-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Corzilius, Björn (Membre du jury / opponent)

Mollica, Giulia (Membre du jury / opponent)

Demeunynck, Martine (19..-....) (Membre du jury / opponent)

Université Grenoble Alpes (2020-....) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Laboratoire Modélisation et exploration des matériaux (Grenoble) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : Le greffage de pro-drogues sur de la cellulose nano-fibrillée (CNF) semble être une voie particulièrement prometteuse comme support dans des applications de délivrance contrôlée de médicaments. Cependant, la caractérisation chimique et de structure approfondie de la surface des CNF reste souvent un défi qui dépasse les limites actuelles de sensibilité et de résolution des techniques standards de caractérisation, en particulier dans le cas de faible pourcentage de fonctionnalisation (< 5 wt%).Dans ce travail, nous avons utilisé la polarisation dynamique nucléaire par rotation à angle magique (MAS-DNP) pour surmonter les limites de sensibilité de la RMN à l’état solide et pour étudier la chimie de surface des CNF fonctionnalisés avec différentes pro-drogues (métronidazole et ciprofloxacine). Nous montrons notamment que la MAS-DNP est la seule technique capable de sonder sans ambiguïté la surface de ces systèmes dans le cas d'une fonctionnalisation très faible (< 1 wt%) et de fournir des réponses aux trois grandes questions suivantes : le degré de fonctionnalisation, la différenciation entre les espèces chimiques liées et adsorbées, et la pureté du produit final, et cela en seulement ~ 2 heures de temps expérimental. La DNP nous a permis de mettre en évidence la présence d'agents de couplage résiduels dans le produit final, alors que l'on pensait auparavant pouvoir les éliminer par une procédure de lavage conventionnelle. Nous présentons une étude comparative de CNF fonctionnalisés avec différents composés modèles et pro-drogues pour évaluer l'efficacité de deux agents de couplage (EDC/NHS vs. DMTMM). Nous montrons comment la pro-drogue elle-même peut affecter le mode de fixation et la quantité de médicament embarqué, en soulignant l’importance du pH pendant les étapes de lavage pour éviter l’hydrolyse indésirable de la liaison de greffage de la pro-drogue tout en assurant une élimination efficace des espèces chimiques indésirables (agents de couplage, pro-drogue adsorbée ou produits secondaires de réaction).De plus, le gain en sensibilité apporté par la DNP combiné à l’utilisation de molécules espions enrichies en 15N (benzylamine) nous a permis de sonder la surface des CNFs oxydés par TEMPO à un niveau de détail sans précédent. Nous avons ainsi pu caractériser les chaînes accessibles et non-accessibles de cellulose, et fournir un aperçu des différences d’orientation de la molécule de benzylamine greffée ou adsorbée à la surface du CNF.Ce travail présente enfin une étude sur la paroi cellulaire secondaire d'un échantillon de bois dur de hêtre japonais adulte dans son état natif et à l'abondance isotopique naturelle. Nous présentons une nouvelle préparation d'échantillon DNP qui a permis d'enregistrer des expériences de corrélation 2D 13C-13C en seulement ~ 51 heures de temps expérimental. Nous fournissons ici, pour la première fois, un aperçu direct de la structure atomique complexe de la paroi cellulaire secondaire des plantes, actuellement hors de portée de tout autre outil d'investigation de la structure existant. La compréhension de la structure à l'échelle atomique de la biomasse native est essentielle, par exemple pour sa conversion efficace en biocarburants.Nous pensons que cette thèse peut servir de base pour le développement de la MAS-DNP comme outil de caractérisation de routine des matériaux de nanocellulose fonctionnalisés et des transporteurs de médicaments, ainsi que pour l'étude structurale approfondie de leur surface. Elle démontre également le potentiel de la MAS-DNP et le rôle important qu’elle pourrait jouer dans l’élucidation des mystères de la structure à l'échelle atomique de la cellulaire des plantes de feuillus natifs.

Résumé / Abstract : Grafting of prodrugs on cellulose nanofibrils (CNF) has emerged as an interesting route for the design of controlled-release-carriers in drug delivery applications. However, in-depth chemical and structural characterization of the CNF surface chemistry is often an unmet challenge that goes beyond the current sensitivity and resolution limits of standard characterization techniques, especially for low weight percentage (< 5 wt%) of functionalization as often obtained when using green chemistry routes.In this work, we used Magic Angle Spinning Dynamic Nuclear Polarization (MAS-DNP) to overcome the sensitivity limitation of solid-state NMR and to investigate surface chemistry of CNF functionalized with different prodrugs (metronidazole and ciprofloxacin). We notably showed that MAS-DNP is the only technique that can unambiguously probe the surface of these systems in case of very low functionalization (< 1 wt%) and provide answers to the three following major questions: degree of functionalization, differentiation between bound and adsorbed chemical species, and purity of the final product, in only ~ 2 hours of experimental time. DNP helped to point out the presence of residual coupling agents in the final product, which were previously believed to be removed by conventional washing procedure. We present a comparative study of CNF functionalized with different model compounds and prodrugs to evaluate the efficiency of two coupling agents (EDC/NHS vs. DMTMM). We show how the prodrug itself can affect the mode of fixation and the amount of loaded drug, highlighting the importance of pH during washing steps to avoid unwanted hydrolyzation of the prodrug linker and ensure efficient removal of unwanted chemical species (coupling agents, adsorb prodrug or side products of reaction).Additionally, the sensitivity gain provided by DNP combined with the use of CNF-functionalized 15N-enriched spy molecules (benzylamine) allowed us to probe the surface of TEMPO-oxidized CNF with unprecedented details. We could thus characterize accessible and non-accessible cellulose chains and provide insight into the orientational geometry of both grafted and adsorbed benzylamine molecules on the CNF surface.This work finally presents a study on the secondary cell-wall of hardwood sample from a matured Japanese beech plant in its native state at natural isotopic abundance. We present a novel DNP sample preparation, which made it possible to record 13C-13C 2D correlation experiments in only ~ 51 hours of experimental time. We provide, for the first-time, a direct insight into the complex atomic structure of plant secondary cell-wall currently beyond the reach of any other existing structural investigation tool. The atomic scale structural understanding of native biomass is essential, e.g., for their efficient conversion into biofuels.We believe this thesis can serve as a base for the development of MAS-DNP in the routine characterization of surface functionalized nanocellulose materials and drug carriers, including the in-depth structural investigation of their surface. It demonstrates as well the potential of MAS-DNP and the important role it could play in unraveling the structural mysteries of na-tive plant cell-wall at the atomic scale.