Thèse Hydrogels Motiles Autonomes Utilisant des Changements Cycliques de Volume H/F

Doctorat_Gouv

Les hydrogels chimio-mécaniques pulsatiles constituent une classe de matériaux innovants capables de convertir directement une énergie chimique en mouvement mécanique périodique, sans apport externe continu. Grâce à l'intégration de réactions oscillantes comme celle de Belousov-Zhabotinsky (BZ), ces gels peuvent se contracter et se dilater de manière autonome, ce qui en fait des systèmes prometteurs pour la robotique souple, les micro-actionneurs ou encore les dispositifs biomimétiques, inspirés du vivant. Leur principal avantage réside dans cette autonomie énergétique et fonctionnelle, ainsi que dans leur capacité à générer des comportements complexes (oscillations, ondes, synchronisation). A ce jour, ces matériaux présentent plusieurs limites, notamment une faible puissance mécanique, une durée de vie limitée liée à l'épuisement des réactifs chimiques, et une difficulté de contrôle précis des oscillations en raison de la nature non linéaire et sensible du système.
Dans ce travail de thèse, l'hydrogel chimio-mécanique pulsatile de BZ sera considéré comme système modèle [Yoshida1996, Blanc2024a]. Une attention particulière sera portée à la caractérisation fine des propriétés chimio-mécaniques de l'hydrogel et de ses interactions aux interfaces du milieu dans lequel il se trouve, dans le but d'améliorer sa structure pour une conversion plus efficace de l'énergie chimique en énergie mécanique (Objectif n°1). Une approche théorique prédictive des phénomènes mécaniques mis en jeu dans ces hydrogels permettra d'optimiser et d'orienter la conception expérimentale de l'hydrogel afin d'adapter sa motilité (i.e capacité à se déformer, se déplacer spontanément ou en réponse à un stimuli) à l'application visée (Objectif n°2). L'application de cet hydrogel à la délivrance de médicaments tel que le paracétamol en fonction d'un stimulus de température sera enfin étudié (Objectif n°3).
L'objectif à long terme de ce projet est de créer une bibliothèque d'hydrogels synthétiques biomimétiques motiles, fonctionnant de manière active, autonome et dynamique, sans alimentation électrique ni contrôle externe, ouvrant la voie à plusieurs applications concrètes comme par exemple le développement de nouveaux systèmes biomédicaux capables de délivrer des médicaments de manière rythmée, ou bien leur utilisation entant que « muscle artificiel » permettant le déplacement autonome de robots flexibles capables de se déplacer ou de manipuler des objets dans des environnements délicats (exploration, médecine). Les compétences transversales des encadrants de la thèse, à l'interface entre la physique, la chimie et la mécanobiologie permettront de mener à bien ce projet interdisciplinaire.

L'hydrogel BZ sera utilisé comme « matériau modèle ». Pour améliorer ses capacités de conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique, une compréhension fine des mécanismes chimio-mécaniques est nécessaire. Pour cela, une optimisation de la synthèse de l'hydrogel est nécessaire afin de pouvoir isoler, adapter et façonner les paramètres fondamentaux régissant leur comportement. Le programme du travail de thèse comportera 3 trois objectifs, développés ci-dessous.

Objectif 1 : Synthèse et caractérisation des propriétés chimio-mécaniques des hydrogels BZ (encadré par B.B et C.H)
Des premiers travaux de caractérisation des propriétés chimio-mécaniques de l'hydrogel BZ ont été entrepris [Blanc2024a, Blanc2024b], dans lesquels un procédé de synthèse en deux étapes de l'hydrogel BZ a été proposé, permettant de dissocier d'une part la réticulation de l'hydrogel et d'autre part sa fonctionnalisation [Blanc2024a]. Ces premiers travaux ont ouvert la voie d'une ingénierie contrôlée de la géométrie et de la taille de l'hydrogel, tout en contrôlant indépendamment son activité chimique et ses propriétés mécaniques.
Pour optimiser la conversion par l'hydrogel de l'énergie chimique de la réaction BZ en énergie mécanique [Liao2025], différents hydrogels seront synthétisés en considérant différents monomères (brique élémentaire de l'hydrogel) et différents séquençages de ces monomères dans la chaîne de polymère. Différents catalyseurs utilisés dans la réaction BZ seront étudiés, en collaboration avec l'ISM2, afin d'évaluer l'influence du catalyseur dans la conversion de l'énergie chimique en énergie mécanique.
A l'issue de ces travaux d'optimisation de synthèses et caractérisations, les grandeurs fondamentales régissant les propriétés chimio-mécaniques des hydrogels BZ pourront être isolées et adaptées. Ces grandeurs serviront de données d'entrée dans les modèles numériques et théoriques de motilité développés dans l'Objectif 2.

Objectif 2 : Théorie de la locomotion utilisant des changements de forme contrôlés dans des hydrogels autonomes générant des forces (encadré par R.A.)
En explorant des stratégies de motilité biomimétiques telles que la reptation et la nage, les travaux encadrés par R.A. viseront à établir un cadre théorique reliant la motilité biologique et la motilité synthétique.
Les simulations numériques permettront d'améliorer la conception d'hydrogels motiles autonomes en fournissant des prédictions sur leur mouvement dans différentes conditions [Allena2012, Allena2013a, Allena2013b, Allena2014a, Allena2014b, Aubry2015a, Aubry2015b].

Objectif 3 : utilisation des hydrogels pour la délivrance ajustée de paracétamol (encadré par B.B et C.H)
L'utilisation des hydrogels en vue d'une application biomédicale de délivrance de médicaments sera étudiée, dans un objectif de preuve de concept. Dans le cadre de cette thèse, le paracétamol sera étudié comme molécule modèle, dont la délivrance par l'hydrogel devra être permise grâce à un stimulus de température. L'hydrogel devra ainsi présenter une grande capacité d'accumulation du paracétamol, afin de constituer une réservoir de cette molécule, tout en permettant sa libération de façon contrôlée et ajustée lorsque la température dépasse 38°C. Pour mener à bien cet objectif, la compréhension des mécanismes de surface et les interactions physico-chimiques entre le paracétamol et l'hydrogel en fonction de la température est primordiale. Pour cela, l'hydrogel devra comporter des groupements chimiques de type hydroxyles, carboxyliques ou amines, à la surface desquels une adsorption sensible aux conditions de températures, de type physisorption, devra prédominer. Les conditions physicochimiques telles que le pH, le milieu électrolytique et la température, seront des paramètres pris en compte dans l'évaluation des capacités de l'hydrogel à jouer le rôle de réservoir à libération contrôlée. [Ansanay-Alex, S. (2013)], [Li, X. et al.(2024)].