Topic description
Le chitosane, polysaccharide cationique issu de la chitine, suscite un intérêt croissant en raison de ses propriétés remarquables : biocompatibilité, biodégradabilité, activité antimicrobienne et forte adhésion. Ces caractéristiques en font un matériau de choix pour des applications variées telles que la délivrance de médicaments, l'ingénierie tissulaire ou encore les biomatériaux fonctionnels. En particulier, les hydrogels et microgels de chitosane offrent des perspectives importantes, car leur structure interne et leur réponse aux stimuli peuvent être ajustées. Toutefois, le contrôle précis de leur organisation à l'échelle nanométrique reste un défi majeur.
Cette thèse vise à surmonter cette limite en exploitant l'auto-assemblage du chitosane avec des tensioactifs anioniques afin de générer des architectures supramoléculaires bien définies, servant de matrices templates. Des travaux antérieurs ont montré que les mélanges de chitosane et d'acides alkyléther carboxyliques polyoxyéthylénés (AEC) conduisent à une grande diversité de structures (micelles décorées, agrégats unidimensionnels, vésicules multicouches, structures cœur–couronne), contrôlées par le pH, la composition et la structure du tensioactif. Cette richesse structurale résulte d'un équilibre subtil entre interactions électrostatiques, liaisons hydrogène et propriétés conformationnelles du polymère.
L'objectif principal est de transformer ces assemblages en objets stables en « figeant » leur structure par réticulation covalente des chaînes de chitosane. Cette étape sera réalisée à l'aide de la génipine, permettant de conserver l'organisation interne des agrégats grâce à une réticulation préférentiellement localisée dans les zones de forte densité polymère. Après élimination du tensioactif, on obtiendra des nanogels de chitosane dont la morphologie reflète directement celle des structures initiales.
Un enjeu clé du projet est la production de nanogels présentant une grande diversité de formes et de symétries internes (anisotropes, multicouches, cœur–coquille). Ces paramètres sont déterminants pour les propriétés de transport, les interactions biologiques et la réponse aux stimuli. En particulier, le caractère pH-réactif du chitosane (pKa ≈ 6,5) devrait induire des transitions structurales importantes, ouvrant des perspectives pour la libération contrôlée.
Le projet s'appuiera fortement sur des techniques de caractérisation avancées, notamment la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), complétée par diffusion de lumière, spectroscopies et mesures physico-chimiques. Des dispositifs expérimentaux permettront de suivre in situ la formation et la réticulation des structures. Ces expériences seront réalisées en grande partie sur des instruments de grands équipements, offrant un accès unique à l'organisation nanométrique.
Ce travail vise ainsi à développer une stratégie originale pour la fabrication de nanogels de chitosane mésostructurés, en combinant auto-assemblage dirigé et fixation covalente, avec des retombées attendues en nanomédecine et en matériaux fonctionnels.
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Chitosan, a naturally derived cationic polysaccharide obtained from chitin, has attracted considerable attention due to its biocompatibility, biodegradability, antimicrobial activity, and strong adhesive properties. These features make it highly relevant for applications in drug delivery, tissue engineering, and functional biomaterials. In particular, chitosan-based hydrogels and microgels are promising soft materials, as their internal structure and responsiveness can be tuned. However, achieving precise control over their organization at the nanoscale remains a key challenge.
This PhD project aims to overcome this limitation by exploiting the spontaneous co-assembly of chitosan with oppositely charged surfactants to generate well-defined supramolecular templates. Previous studies have shown that mixtures of chitosan and polyoxyethylene alkyl ether carboxylic acids (AECs) form a wide range of structures in aqueous solution, including micelle-decorated networks, one-dimensional aggregates, multilayered vesicles, and core–corona complexes. This structural diversity arises from a delicate interplay between electrostatic interactions, hydrogen bonding, polymer stiffness, and surfactant self-assembly, all of which can be finely tuned through pH, composition, and surfactant architecture.
The main objective is to transform these dynamic assemblies into stable objects by “freezing” their structure through covalent crosslinking of the chitosan chains. This step will be carried out using genipin, enabling preservation of the internal organization of the aggregates through crosslinking that occurs preferentially in regions of high polymer density. After removal of the surfactant, pure chitosan nanogels will be obtained, whose morphology directly reflects that of the initial structures.
A key goal is to produce nanogels with a broad range of shapes and internal symmetries, including anisotropic, multilayered, and core–shell morphologies. Such structural diversity is highly relevant, as the shape and internal organization of nanogels strongly influence their transport properties, interactions with biological environments, and responsiveness to external stimuli. In particular, the pH-responsive nature of chitosan (pKa ≈ 6.5) is expected to induce significant structural transitions, making these systems promising candidates for controlled release applications.
The project will rely on advanced characterization techniques, with a strong emphasis on scattering methods available at large-scale facilities. Small-angle neutron scattering (SANS), combined with light scattering, spectroscopy, and physicochemical measurements, will be used to investigate both the formation of the initial complexes and their structural evolution during crosslinking in situ. Dedicated sample environments will enable time-resolved studies of the reaction process.
Overall, this work aims to establish a novel strategy for fabricating mesostructured chitosan nanogels by combining directed self-assembly with covalent fixation, opening new perspectives for the design of functional soft materials for nanomedicine and related applications.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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