La chromatographie d’exclusion stérique (SEC) permet de déterminer un histogramme des masses molaires en nombre (M_n) et des masses molaires en masse (Mw) d’un polymère ainsi que son indice de polymolécularité. Il s’agit d’une méthode de chromatographie en phase liquide où la phase stationnaire est constituée d’un gel mésoporeux, et la phase mobile d’une solution très diluée de polymères à analyser. Les chaînes les plus longues éluent rapidement contrairement aux chaînes courtes qui pénètrent dans les pores du gel et sont ainsi retardées. La séparation apparait donc dans l’ordre des tailles décroissantes. Il est nécessaire d’effectuer un étalonnage préalable (avec un étalon présentant le même type de conformation que le polymère étudié) pour pouvoir relier le temps de rétention à la longueur de la chaîne. Les méthodes de détection sont diverses en fonction de la nature de la grandeur étudiée : spectroscopie UV, diffusion de Rayleigh, viscosimétrie.

Le couplage entre la SEC et la diffusion multi-angle de la lumière permet de s’affranchir de l’étalonnage. Le rayon hydrodynamique du polymère peut, quant à lui, être déterminé en associant deux autres techniques, la diffusion quasi-élastique de la lumière ou une mesure viscosimétrique.

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Le polydiméthyle siloxane (PDMS), en raison de la rotule due à l’atome d’oxygène dans la chaîne polymérique, a trouvé de nombreuses applications dans des domaines aussi différents que les produits anti-mousse, les fluides hydrauliques ou les fluides isolants électriques. La réticulation des silicones, en modifiant leurs propriétés mécaniques, a encore élargi leur champ d’action (hydrofugation par des revêtements silicone pour les matériaux de construction, utilisation comme tensioactifs, revêtement du bois, de la pâte à papier …). Pour aller encore plus loin, les chercheurs ont développé des matériaux intelligents ou « smart » à base de silicone comme les polymères auto-cicatrisants voire auto-adhésifs en s’inspirant de la nature.

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Le fluor n’est pas réservé à la prévention de la carie dentaire ! L’introduction d’un atome de fluor dans une molécule organique permet de moduler ses propriétés physico-chimiques. Les molécules ou les complexes fluorés interviennent dorénavant dans de nombreux domaines de la médecine : anesthésie, oncologie, dépistage (IRM, échographie)…

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La microfluidique est appliquée à la mise au point de microcolonnes à chromatographie en phase gazeuse portatives pour des utilisations dans des domaines allant du dépistage médical aux procédés industriels. L’article aborde la mise au point de phases stationnaires sur puce de silicium : pulvérisation de couche mince dans des microcanaux ou monolithe poreux à base de silice ; l’idéal serait évidemment de pouvoir utiliser l’air comme gaz vecteur.

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La catalyse hétérogène concerne des domaines importants tels que la dépollution ou la production d’énergie. Plus de 80 % des réactions catalytiques industrielle sont de type hétérogène.

Premier exemple : pour réduire les gaz émis par la combustion des carburants, les normes actuelles demandent de réduire de plus de 98 % les gaz émis (hydrocarbures non brûlés, CO et oxydes d’azote NO_x) avec une efficacité durant plus de 160 000 km. Les pots catalytiques actuels sont capables d’atteindre ces objectifs avec des conditions de température supérieures à 1 000°C mais aussi dès les premières secondes après le démarrage du véhicule [1] !

Second exemple : on cherche à produire directement des carburants « propres ». Par exemple la synthèse de Fischer-Tropsch (FT) permet de produire à partir du gaz de synthèse CO + H₂ des carburants à partir du gaz naturel, de la biomasse ou du charbon. Ainsi le gazole issu par cette réaction est dit propre car il ne contient ni soufre, ni composés aromatiques et a un excellent indice de cétane supérieur à 75 %. Des productions par FT d’hydrocarbures lourds (supérieurs à C20) utilisent le cobalt comme catalyseur [2a] et [2b].

L’étude de la catalyse a été entreprise avec succès comme en témoignent les prix Nobel suivants : Sabatier en 1912, Langmuir en 1932, Chauvin en 2006 et Erti en 2007. Mais beaucoup de catalyseurs industriels ont été mis au point selon des approches empiriques des phases actives qui sont déposées sur des supports [3a] et [3b].

Dans ce contexte, la simulation moléculaire par le modèle quantique connait un développement rapide depuis une vingtaine d’années. Cela permet de comprendre la structure du catalyseur, son rôle dans la réaction chimique mais aussi de prédire et concevoir de nouveaux catalyseurs. Les méthodes classiques de mécanique quantique utilisant des solutions approchées de l’équation de Schrödinger ne sont pas appropriées pour la modélisation des réactions sur des catalyseurs hétérogènes. La théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) utilise non plus la fonction d’onde mais la densité électronique : une fonction plus simple qui dépend uniquement des coordonnées spatiales (x, y, z). La dépendance de l’énergie vis-à-vis de la densité électronique n’est pas non plus connue et nécessite aussi des approximations. La méthode est moins précise que celle utilisant la fonction d’onde mais permet d’étudier des systèmes de grande taille à plus de 1 000 atomes ! C’est donc la méthode de choix pour l’étude théorique des catalyseurs hétérogènes et de la réaction catalytique. En effet elle permet de suivre l’énergie au long de la réaction en calculant les minima d’énergie des états intermédiaires mais aussi les états de transition [4].

La sélectivité d’une réaction catalytique est essentielle en catalyse hétérogène. Ainsi, par exemple, l’hydrogénation sélective du buta-1,3-diène en but-1-ène, qui est une réaction d’intérêt industriel est un des premiers exemples étudiés. La simulation du chemin réactionnel avec le platine, catalyseur classique d’hydrogénation, ne conduit pas ici sélectivement au but-1-ène, alors que l’emploi d’un alliage Pt-Sn montre que le profil réactionnel conduit alors sélectivement au but-1-ène [5] !

La méthodologie des simulations des réactions de catalyse hétérogène est bien développée actuellement autour de trois points :

• la compréhension structurale avec des calculs de modèles pour les sites de surface et des caractéristiques spectroscopiques
• les calculs des profils d’enthalpie libre pour le chemin réactionnel
• les prédictions que l’on peut énoncer sur l’activité sélective, et la conception de nouvelles phases catalytiques ![6]

Les méthodes spectroscopiques in situ permettent l’observation des espèces adsorbées sur le catalyseur, mais il est parfois difficile d’observer les différents intermédiaires réellement impliqués.

• L’effet isotopique de remplacement d’un atome d’hydrogène par un atome de deutérium a été utilisé par exemple dans la synthèse de l’ammoniac. Il a ainsi été démontré que l’étape de dissociation de N₂ est l’étape cinétiquement déterminante pour des catalyseurs au fer.
• La technique de substitution rapide et soudaine d’un réactif par son correspondant isotopique peut être observé en spectroscopie de masse et cela a permis d’étudier un grand nombre de réactions industrielles telles que la réduction catalytique des NO_x, l’oxydation du méthane en CO et le vaporéformage.
• Il en est de même avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier qui a montré par exemple les réactions d’échange sur des zéolithes des groupes OH avec une substitution isotopique de H par D [7].

Quelques structures de catalyseurs industriels © Alex.pin / Fotolia

Pour approfondir et illustrer ce sujet nous avons sélectionné les ressources suivantes :

[1] « Un exemple de matériau spécifique : pots catalytiques et dépollution automobile », jeu pédagogique en ligne Super Kimy, site Mediachimie.org : avec une belle image pédagogique illustrant les différentes étapes de fonctionnement d’un catalyseur en milieu hétérogène

[2a] « Matériaux catalytiques et catalyse hétérogène » de B. Coq et al., L’Actualité Chimique n° 338-339 (février-mars 2010) p. 64-73, qui présente clairement la synthèse de Fischer-Tropsch
[2b] « Comment fabriquer de l’essence avec du charbon ? La réaction de Fischer-Tropsch » (lien direct vers le PDF), Réactions en un clin d’œil sur le site Mediachimie.org, pour une approche historique

[3a] « Modélisation par théorie de la fonctionnelle de la densité de catalyseurs hétérogènes à base de silice-alumines amorphes » de C. Chizallet et al., L’Actualité Chimique n° 403 (janvier 2016) pp. 30-38
[3b] « La catalyse au service de l’automobile » Jean-P. Brunelle, Colloque Chimie et Transports 3/04/2013, Fondation de la Maison de la chimie, Chimie et transports (2014) EDP Sciences, ISBN : 978-2759810758, pp. 49-62. Article où de nombreux exemples de catalyseurs associés au produit créé sont cités dans des tableaux clairs.

[4] « La modélisation moléculaire s’invite dans l’industrie. Exemples de recherches pour le développement de matériaux, procédés et produits chimiques dans le domaine de l’énergie et de l’environnement », F. Bisquay et al., L’Actualité Chimique n°353-354 (juin-juillet-août 2011) pp. 66-73. On y trouve un bel encart résumant le principe de la méthode de la densité fonctionnelle.

[5] « La chimie théorique : une méthode clé pour une chimie durable », P. Sautet, L’Actualité Chimique n°382-383 (février-mars 2014) pp. 78-82. On y trouve un beau paragraphe (très clair) sur l’utilisation de la méthode de la fonctionnelle de densité, mais aussi les courbes des profils réactionnels avec toutes les valeurs d’enthalpie libre de la réaction sélective d’hydrogénation du buta-1,3-diène en but-1-ène.

[6] « Apport du calcul ab initio en physico-chimie des surfaces catalytiques complexes : exemple des catalyseurs métalliques à base de platine ultra-dispersés sur alumine » de C. Chizallet, L’Actualité Chimique n°417 (avril 2017) pp. 34-39. On trouve dans cet article une belle étude des effets de taille, de morphologie et d‘états de surface de catalyseurs.

[7] « Fiche catalyse n° 51 - Utilisation de marqueurs isotopiques pour l’identification des mécanismes réactionnels en catalyse hétérogène » de N. Bion et M. Richard, L’Actualité chimique n°425 (janvier 2018) pp. 63-64. On trouve dans ce petit article des exemples simples illustrant les marqueurs isotopiques qui permettent de caractériser des mécanismes réactionnels en catalyse hétérogène.

Les biomédicaments sont produits par des cellules-usines génétiquement modifiées et confinées (bioproduction). Les biomédicaments n’ont pas vocation à remplacer les médicaments chimiques : la chimie peut même les améliorer, allonger leur demi-vie dans l’organisme, ou les renforcer par conjugaison avec des radioisotopes ou des cytotoxiques puissants.
 

Toutes ces modifications chimiques se réalisent sur les protéines purifiées, en post-bioproduction, et sont encore loin de pouvoir se faire par biologie de synthèse, en modifiant le patrimoine enzymatique de la cellule-usine. Pourtant plusieurs exemples sont donnés montrant que la biologie de synthèse commence pourtant à se développer pour les biomédicaments. De tels biomédicaments en sont actuellement au stade des essais cliniques, et constituent une première étape vers une biologie de synthèse qui soit encore plus ambitieuse.

La biologie de synthèse est à la fois l’ingénierie rationnelle de la biologie, et l’étude de la vie par la voie de la synthèse. C’est un domaine pluridisciplinaire, où biologistes, chimistes, physiciens, informaticiens, et statisticiens conjuguent leurs créativités pour concevoir rationnellement, construire à façon et tester des systèmes biologiques normalisés, reproductibles, doués de fonctions spécifiques.

Cette conférence et sa version écrite présentent la biologie de synthèse en tant que domaine récent, et l'illustrer par certains de ses succès et applications. La biologie de synthèse est ensuite rapprochée de la chimie de synthèse, d'une part en dressant les analogies de leurs développements historiques, d'autre part à travers les relations concrètes qu'entretiennent actuellement ces deux domaines dans la recherche et l'innovation. Les futurs développements espérés pour ce nouveau domaine sont présentés en conclusion.

L'un des plus grands défis du diagnostic est la détection précoce et spécifique des maladies, ce qui présente la clé d’une prévention et d’une thérapie plus efficace. Une telle détection précoce peut être effectuée de manière pratique en analysant des fluides corporels, tels que le sang, l'urine ou la salive. Les maladies peuvent provoquer un changement de la quantité (concentration) de certaines biomolécules (par exemple des protéines ou des acides nucléiques spécifiques) dans ces fluides et habituellement ce changement est minime aux premiers stades de la maladie. Il est très important que le diagnostic permette de quantifier de telles biomolécules, appelées biomarqueurs moléculaires, aux concentrations très faibles dans les fluides corporels.

Les molécules ou nanoparticules fluorescentes peuvent aider à identifier et à quantifier les biomarqueurs par une analyse très sensible de la couleur, de l'intensité et du temps de décroissance de la fluorescence. En employant différentes molécules ou nanoparticules fluorescentes, on peut étudier, quantifier et comprendre des interactions de biomolécules, qui sont la base de la plupart des processus biologiques, y compris les maladies. En particulier, le FRET (transfert d’énergie par résonance de type Förster), qui décrit un transfert d'énergie entre deux molécules fluorescentes à une distance très proche (<10 nm), est un outil très puissant pour le diagnostic biomoléculaire.
Des exemples d’application sont présentés notamment les nouveaux développements qui permettent de détecter des concentrations ultra faibles (femtomolaires).

La biologie de synthèse ambitionne de doter des organismes de nouvelles fonctions biologiques inédites en manipulant des briques d’ADN naturelles ou synthétiques. Son application à la santé s’est principalement centrée sur la synthèse de molécules thérapeutiques et sur des bio-senseurs de diagnostic. Néanmoins, avec l’avènement du séquençage haut débit du génome des patients, les promesses d’une médecine de plus en plus individualisée se font concrètes.

Ainsi, le traitement du cancer est en phase de subir une profonde révolution, via le développement d’immunothérapies anti-tumorales propre à chaque patient. L’utilisation du système immunitaire s’avère très prometteuse pour éradiquer tumeurs primaires et métastases. Pour répondre à la problématique d’une médecine totalement personnalisée contre le cancer, Inovactis développe une immunothérapie innovante capable de reprogrammer directement in vivo le système immunitaire du patient contre n’importe quelle cible exprimée par les cellules cancéreuses.

De nombreux médicaments ou candidats médicaments présentent des caractéristiques physicochimiques peu favorables au passage des barrières biologiques qui séparent le site d’administration du site de l’action pharmacologique. Ces barrières mécaniques, physicochimiques ou enzymatiques réduisent l’accès des principes actifs vers la cible biologique et provoquent des déperditions importantes de molécules actives vers d’autres tissus générant ainsi des effets toxiques parfois rédhibitoires. Ces problèmes peuvent être résolus par l’utilisation de nano-objets, d’une taille de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres, capables d’encapsuler les molécules pharmacologiquement actives.

C’est pour toutes ces raisons que le développement de nanomédicaments a pris un essor considérable au cours des dernières années. S’appuyant sur de nouveaux concepts physicochimiques et sur le développement de nouveaux matériaux, la recherche galénique a permis d’imaginer des systèmes sub-microniques d’administration, éventuellement fonctionnalisés par des ligands spécifiques, capables : (i) de protéger la molécule active de la dégradation et (ii) d’en contrôler la libération dans le temps et dans l’espace. En associant un principe actif à un nanovecteur, le franchissement de certaines barrières peut aussi être facilité, le métabolisme et l’élimination du médicament freinés et sa distribution modifiée pour l'amener à son site d'action.

Les progrès réalisés dans le domaine de la conception de matériaux « intelligents » permettent enfin de préparer des nanosystèmes capables de libérer le principe actif en réponse à un stimulus endogène ou exogène : modification de pH, de force ionique, variation de température ou application d’un champ magnétique extracorporel, d’ultrasons ou de photons. Il est également possible de concevoir des nanomédicaments dotés d’une double fonctionnalité thérapeutique et diagnostique (imagerie), par exemple, en rajoutant dans le cœur du nanovecteur un agent d’imagerie (gadolinium, particules ultrafines d’oxyde de fer etc.). Cette approche dite de « théranostique » ouvre la voie à une médecine plus personnalisée. Enfin, le concept de nanoparticules « multimédicaments » associe dans le même nanovecteur plusieurs molécules ayant une activité pharmacologique sur des cibles biologiques différentes mais complémentaires.

Ces concepts seront illustrés par trois exemples de nanovecteurs développés dans le laboratoire.