Soutenance de thèse de MANIVEL Margot
Titre de thèse
Nanoparticules fonctionnalisées et systèmes photoactifs pour la génération radicalaire contrôlée : de la lutte antibactérienne à la photopolymérisation
Functionalized nanoparticles and photoactive systems for controlled radical generation: from antibacterial control to photopolymerization
Résumé de la thèse
Cette thèse explore la conception, la synthèse et les applications de systèmes moléculaires et de nanomatériaux innovants dédiés à la génération radicalaire contrôlée, avec pour objectif fondamental de répondre à des problématiques environnementales et technologiques majeures. À l'intersection de la chimie organique, de la science des matériaux et de la nanomédecine, ces travaux mettent en lumière l'art du design moléculaire pour convertir efficacement un stimulus physique externe en une réponse chimique ciblée et mesurable.
La première partie de cet ouvrage est consacrée au développement d'outils alternatifs et éco-compatibles pour lutter contre la bactérie phytopathogène Xylella fastidiosa, un agent dévastateur pour les cultures agricoles et l'arboriculture méditerranéenne. Pour faire face à l'absence de traitements curatifs efficaces, des alcoxyamines thermosensibles et multifonctionnelles, vectorisées par l'acide gallique, ont été développées et synthétisées. Ces entités moléculaires ont ensuite été greffées avec succès à la surface de nanoparticules de Bleu de Prusse, reconnues pour leurs excellentes propriétés photothermiques. L'activation de ces nano-objets hybrides par un rayonnement laser dans le proche infrarouge (PIR) déclenche un phénomène de nano-chauffage hautement localisé. Ce gain thermique contrôlé provoque l'homolyse sélective de la liaison C-ON des alcoxyamines, conduisant à la production locale et ciblée d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) à haut potentiel cytotoxique. Ce mécanisme d'activation photothermique et la génération radicalaire subséquente ont été rigoureusement caractérisés et quantifiés par spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE), confirmant le comportement thermo-stimulable du système. De plus, les études d'affinité ont validé l'efficacité remarquable de l'acide gallique en tant que vecteur d'ancrage pour cibler spécifiquement la surface de la bactérie, minimisant ainsi les effets collatéraux sur l'environnement.
La seconde partie de ce mémoire s'articule autour des principes de la chimie durable et propose une bibliothèque inédite de nouveaux photoinitiateurs de type esters d'oximes. Dans une démarche d'éco-conception, ces molécules ont été synthétisées à partir de dérivés carbonylés naturels issus directement de la biomasse, notamment la vanilline, le furfural et la carvone. Intégrés au sein de systèmes d'amorçage bicomposants performants, ces composés s'activent de manière optimale sous irradiation par de la lumière visible ou sous lumière solaire directe. Le mécanisme d'activation repose sur un transfert d'énergie de type Dexter, et plus précisément un transfert d'énergie triplet-triplet hautement efficace s'opérant entre un photoinitiateur et un photoamorceur. Les performances cinétiques et la réactivité de ces formulations éco-responsables ont été démontrées par des suivis rigoureux en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (RT-FTIR). Ces caractérisations ont révélé des vitesses de conversion élevées et des taux de polymérisation remarquables, conduisant à une application réussie en impression 3D à haute résolution spatiale, sans recourir à des solvants toxiques ni à des dérivés pétrochimiques.
En liant étroitement ces deux axes complémentaires, ces travaux de recherche démontrent la polyvalence et l'efficacité du design moléculaire pour convertir un stimulus externe (optique ou thermique) en radicaux libres au profit de la transition écologique.
Thesis resume
This PhD dissertation explores the design, synthesis, and applications of innovative molecular systems and nanomaterials dedicated to controlled radical generation, with the primary objective of addressing major environmental and technological challenges. Situated at the intersection of organic chemistry, materials science, and nanomedicine, this research highlights the power of molecular design in efficiently converting an external physical stimulus into a targeted and measurable chemical response.
The first part of this work is devoted to the development of alternative and eco-friendly tools to combat the phytopathogenic bacterium Xylella fastidiosa, a devastating agent affecting agricultural crops and Mediterranean arboriculture. To overcome the lack of effective curative treatments, multifunctional and heat-sensitive alkoxyamines, vectorised by gallic acid, were designed and synthesized. These molecular entities were then successfully grafted onto the surface of Prussian Blue nanoparticles, which are renowned for their outstanding photothermal properties. The activation of these hybrid nano-objects using near-infrared (NIR) laser irradiation triggers a highly localized nano-heating phenomenon. This controlled thermal elevation induces the selective homolysis of the C-ON bond within the alkoxyamines, leading to the local and targeted generation of reactive oxygen species (ROS) endowed with high cytotoxic potential. This photothermal activation mechanism and the subsequent radical production were rigorously characterized and quantified by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy, confirming the thermo-responsive behavior of the system. Furthermore, affinity studies validated the remarkable efficiency of gallic acid as a targeting vector to bind specifically to the bacterial surface, thereby minimizing collateral environmental impacts.
The second part of this dissertation aligns with the principles of sustainable chemistry and introduces a novel library of oxime ester photoinitiators. Embracing an eco-design strategy, these molecules were synthesized from natural carbonyl derivatives obtained directly from biomass, such as vanillin, furfural, and carvone. Incorporated into high-performance two-component initiating systems, these compounds are efficiently activated under visible light or direct solar irradiation. The activation mechanism relies on a Dexter-type energy transfer, specifically a highly effective triplet-triplet energy transfer occurring between a photoinitiator and a photosensitizer. The kinetic performance and reactivity of these eco-responsible formulations were demonstrated through rigorous real-time Fourier-transform infrared (RT-FTIR) spectroscopy analysis. These characterizations revealed high conversion rates and remarkable polymerization speeds, paving the way for a successful application in high-resolution 3D printing without relying on toxic solvents or petrochemical-derived starting materials.
By bridging these two complementary research axes, this work demonstrates the versatility and efficiency of molecular design in converting an external stimulus (optical or thermal) into free radicals for the benefit of the ecological transition.