Thèse Polymères Mécanofluorochromes Comme Sondes de Contraintes Mécaniques Vers des Applications Biomédicales H/F

Université Paris-Saclay GS Chimie

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie
École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes
Laboratoire de recherche : PPSM - Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires
Direction de la thèse : Clémence ALLAIN ORCID 000000022908264X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-31T23:59:59

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'essor rapide des matériaux intelligents, capables de répondre de manière mesurable à des stimuli externes. Les composés d'intérêt, nommés mécanochromes ou mécanofluorochromes, voient leur propriétés d'absorption et d'émission modifiées à la suite de l'application de contraintes mécaniques.[1,2] L'incorporation de ces composés dans une matrice polymère permet d'observer optiquement les contraintes subies par le polymère. Cette méthode de détection directe est prometteuse car elle pourrait mettre en avant une usure d'un matériau, ou bien localiser la zone impactée lors d'un contact (friction ou compression).[3] Le but final de ce projet est d'explorer le potentiel de ces nouveaux matériaux dans le domaine biomédical, notamment en les incorporant dans des fantômes d'organes en PDMS.
La première étape sera de concevoir les composés mécanofluorochromes d'intérêt, en s'appuyant sur la littérature[4], les résultats récents obtenus au laboratoire sur le mécanofluorochromisme,[5,6] et des calculs de type DFT et TD-DFT. Ces composés seront ensuite synthétisés, si possible en prenant en compte l'impact environnemental de la voie de synthèse choisie. En cas de difficultés de synthèse, la structure de la molécule cible pourra être modulée en prenant compte les informations obtenues lors de l'étape de conception.
Les composés mécanofluorochromes obtenus seront intégrés au sein de matrices polymériques souples, principalement à base de polydiméthylsiloxane (PDMS). En particulier, pour l'incorporation en PDMS, la structure chimique des fluorophores sera conçue de façon à contenir une fonction alcène terminale qui permettra de les utiliser comme réticulant lors de la synthèse du polymère. Une caractérisation spectroscopique détaillée des composés sera ensuite menée, en solution et en matrice polymère (spectroscopie UV-Visible, spectroscopies de fluorescence stationnaire et résolue en temps, avant et après contrainte mécanique pour les échantillons polymères). Leur réponse à la traction mécanique et à la friction sera caractérisée par des essais mécaniques, effectués en collaboration. Dans une dernière étape, les composés les plus sensibles pourront être évalués pour des application biomédicales, notamment en les incorporant dans des organes fantômes en PDMS, utilisés ensuite dans des simulations biomécaniques.[7]
Enfin, au-delà des aspects fondamentaux et applicatifs, cette thèse s'attachera également à un effort de vulgarisation scientifique autour des matériaux fluorescents et du mécanofluorochromisme. Pour ce faire, différentes collaborations sont envisagées, allant de l'illustration scientifique (école Estienne) à la danse (école Centrale) ou au design (école ENSCI). Dans le cadre de l'axe « lien formation-recherche » récemment mis en place au PPSM, nous nous attacherons à évaluer l'impact des initiatives de médiation qui pourront être mises en place au cours de la thèse.
Références
[1]Y. Chen, G. Mellot, D. van Luijk, C. Creton, R. P. Sijbesma, Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 4100-4140.
[2]Y. Hirai, ACS Appl. Opt. Mater. 2024, 2, 1025-1045.
[3]Y. Chen, C. J. Yeh, Y. Qi, R. Long, C. Creton, Sci. Adv. 2020, 6, eaaz5093.
[4]S. Shimizu, J. M. Clough, C. Weder, Y. Sagara, Angew Chem Int Ed 2025, 64, e202510114.
[5]B. Poggi, E. Lopez, R. Métivier, L. Bodelot, C. Allain, Macromol. Rapid Commun. 2022, 43, 2200134.
[6]J. A. Panis, M. Louis, A. Brosseau, S. Katao, F. de los Reyes, T. Nakashima, R. Métivier, C. Allain, T. Kawai, Chem. Eur. J. 2022, 28, e202201012.
[7]T. Moupfouma, Q. Peyron, Y. Adagolodjo, S. Caubet, J.-F. Ollivier, C. Duriez in 2025 IEEE 8th International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), IEEE, Lausanne, Switzerland, 2025, pp. 1-8.

Depuis une dizaine d'années, les matériaux mécanofluorochromes connaissent un développement important. En particulier, la sous-famille des 'mécanophores', c'est-à-dire des petites molécules organiques pouvant être incorporées dans un polymère pour rendre celui-ci mécano(fluoro)chrome a largement été étudiée. Néanmoins, les études comparant la sensibilité de différents mécanophores aux forces de traction restent rares, l'influence de la nature de la matrice polymère est très peu étudiée, et les applications restent à notre connaissance essentiellement limitées à la physique des polymères. En nous basant sur l'expertise acquise au laboratoire ces dernières années sur la synthèse de composés mécanofluorochromes et la quantification de leur réponse à des forces mécaniques, nous envisageons de développer de nouveaux polymères mécanofluorochromes présentant une sensibilité élevée aux forces mécaniques, d'effectuer leur caractérisation complète et d'évaluer si ces matériaux peuvent être performants comme capteurs de force dans des organes fantômes en PDMS utilisés pour des simulations biomécaniques.

- synthèse organique d'une petite série de composés mécanofluorochromes
- caractérisation photophysique poussée de ces composés par spectroscopies de fluorescence stationnaire et résolue en temps, en solution et en matrice polymère
- caractérisation mécanique des échantillons polymères (réponse à la traction et à la friction)
- évaluation des composés présentant la meilleure sensibilité comme capteurs de force dans des organes fantômes en PDMS
- développement d'une action de médiation scientifique autour de la fluorescence et du mécanofluorochromisme

- utilisation de calculs DFT et TD-DFT pour calculer la géométrie optimisée et les orbitales frontières de composés conçus à partir des données de la littérature et de l'expérience acquise au laboratoire
- synthèse organique des composés mécanofluorochromes préalablement sélectionnés par l'étape de calcul, fonctionnalisation de ces composés pour pouvoir les utiliser comme réticulant du PDMS
- incorporation en matrice polymère
- caractérisation photophysique complète des composés d'intérêt, en solution et en matrice polymères. En cas de propriétés décevantes (faible rendement quantique, absence de mécanofluorochromisme), retour à l'étape de conception. En cas de propriétés particulièrement intéressantes, on s'attachera à optimiser la synthèse des composés, en prenant en compte l'impact environnemental de la voie de synthèse choisie
- caractérisation mécanique des échantillons, en collaboration
- si les composés présentent une assez bonne sensibilité, incorporation dans des organes fantômes en PDMS et évaluation de leurs propriétés de capteurs