Rôle du renforcement par de la cellulose sur les propriétés mécaniques de microcapsules à base d’hydrogels biosourcés

Contexte

La microencapsulation est un marché important en forte croissance (10 Md€ dont 30% en Europe) et qui concerne des secteurs aussi variés que l’alimentaire, l’imprimerie, le textile, la cosmétique ou la détergence. Ce procédé consiste à piéger un actif d’intérêt au sein d’une structure cœur-écorce qui protège la substance de l’extérieur et qui permet son relargage sous l’action d’un stimulus : évaporation, contrainte mécanique, dégradation enzymatique, etc. Les matériaux utilisés pour produire ces capsules sont très variés : polysaccharides, protéines ou lipides dans le domaine de l’alimentaire, mais aussi du PVA, du PLA ou PLGA lorsque des propriétés mécaniques plus élevées sont requises, voire des systèmes à base de mélamines-formol qui sont des contributeurs majeurs à la pollution de l’eau par des microparticules. La recherche de matériaux biosourcés ayant des propriétés similaires aux solutions pétrosourcées est une préoccupation croissante du secteur de la microencapsulation afin de répondre aux contraintes environnementales.

Dans ce contexte, les acteurs de la microencapsulation cherchent à remplacer les molécules pétro-sourcées par des solutions bio-sourcées, tels que des biopolymères pouvant être gélifiés afin de former une coquille (ex : pectine, alginate gélifiée par des ions divalents).  Cependant, ces solutions à base de biopolymères présentent un défaut majeur, qui est leur faible résistance mécanique. Cela réduit considérablement le champ des différentes applications, car ce type de capsules ne résistent pas à des étapes de séchage, souvent requises dans la microencapsulation pour leur préservation durant leur stockage et transport. 

Objectifs et méthodologie

Le CERMAV développe des matériaux bioinspirés des cellules végétales composés de mélanges de microfibrilles de cellulose, d’hémicellulose et de pectines mimétiques de la paroi primaire des végétaux. La formulation de ces matériaux qui n’est pas nécessairement simple, leur a permis d’obtenir des matériaux présentant des propriétés mécaniques et des taux de gonflement modulables. Dans la version simplifiée des matériaux à base de microfibrilles de cellulose / pectines, le rôle de la matrice est joué par les pectines qui gélifient en présence de chlorure de calcium. La cellulose joue le rôle de renfort qui permet de moduler les propriétés mécaniques de 1 à 40 MPa selon la proportion de MFC variant de 10 à 80%. 

Dans le cadre du projet CostoCaps (Carnot Polynat), le LRP et le CERMAV ont voulu mettre à profit cette approche biomimétique pour produire des capsules biosourcées et renforcées par de la cellulose. Les deux équipes ont développé un nouveau procédé de microencapsulation basé sur l’injection de gouttes de suspension de pectine et de (nano)fibrilles de cellulose dans un bain de chlorure de calcium pour obtenir des capsules de 500 µm à 1 mm de diamètre. 

L’objectif de ce projet de stage est de caractériser le rôle des paramètres de formulation de la capsule (concentration en pectine, calcium, cellulose) sur les propriétés mécaniques de la capsule. 

Le projet se déroulera de la manière suivante :

1. Produire des capsules avec le procédé développé par le LRP et les suspensions de pectine et de fibrilles de cellulose du CERMAV et caractériser leur structure par microscopie confocale au LRP (c.-à-d. localiser la cellulose au sein de la capsule). 
2. Développer les protocoles de mesure avec une machine d’essai micromécanique située au 3SR (FemtoTools FT-MTA03) afin de caractériser la réponse élastique et de rupture des capsules produites selon leur formulation et structure dans des conditions environnementales contrôlées. 
    

Le projet de stage se déroulera essentiellement au laboratoire 3SR dans l’équipe ComHet (Mécanique et Couplages Multiphysiques des milieux Hétérogènes), et l’encadrement des expériences sera assuré par L. Bailly (CR CNRS) et A. Naillon (MCF UGA), qui conduisent des essais micromécaniques pour caractériser le comportement mécanique de gels et suspensions variés.
La machine utilisée par le stagiaire permet de mesurer des forces allant du pN au mN, lors d’essais d’indentation ou de compression simple, de manière statique ou dynamique, et en milieu liquide. Une pointe en silicium de section carré de 50µm de côté, sur laquelle peut se coller un plateau est connectée au capteur de force. Le déplacement de l’échantillon est assuré par une platine piezoélectrique. Un microscope permet de filmer l’essai en temps réel. Les essais seront menés en faisant varier les vitesses de sollicitation et les amplitudes des déformations.
 

Profil recherché

Etudiant.e de 2ème ou 3ème année (éventuellement 1ère) de Master ou Ecole d’ingénieurs en mécanique, physique ou matériaux, curieux/se et dynamique, avec un intérêt pour l’expérimentation et la caractérisation mécanique. l’analyse de données et d’images. Le stage est gratifié pour une durée de 2 à 6 mois.