Titre original :

Textiles luminescents utilisant des produits biosourcés : une approche bio-inspirée

Titre traduit :

Luminescent textiles using biobased products : a bioinspired approach

Mots-clés en français :
  • Textiles luminescents

  • Bioluminescence
  • Photoluminescence
  • Bactéries luminescentes
  • Riboflavine
  • Fonctionnalisation des surfaces (chimie)
  • Enzymes immobilisées
  • Chimie biomimétique
  • Polymères biosourcés
  • Fibres cellulosiques
  • Non-tissés
  • Langue : Anglais
  • Discipline : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
  • Identifiant : 2020LIL1I026
  • Type de thèse : Doctorat
  • Date de soutenance : 25-09-2020

Résumé en langue originale

Le transfert de connaissances inspirées par la nature vers des applications technologiques-la bioinspiration, a permis aux scientifiques de créer des solutions durables. La nature a conçu des biomolécules impliquées dans les phénomènes de bioluminescence et/ou photoluminescence chez certaines espèces vivantes. Lors des travaux de cette thèse, les pistes de conception de textiles luminescents ont été explorées, basées sur des phénomènes de luminescence observés dans la nature. Dans la première partie de la thèse, une étude bibliographique sur les phénomènes de luminescence observés dans la nature a été effectuée. Les résultats de cette étude ont permis la sélection du système de luminescence observée chez les bactéries lumineuses, pour des raisons telles que la disponibilité, la régénération du substrat, et du coût des composés biochimiques. Ce système fait intervenir deux enzymes, la luciférase bactérienne (Luc) et la FMN réductase (Red), ainsi que des substrats tels que la flavine mononucléotide (FMN) et des co-facteurs tels que le NADH et un aldéhyde à longue chaîne. Des écotechnologies telles que le plasma atmosphérique et le plasma à froid ont été utilisées pour l’activation de surface des fibres textiles permettant par la suite l’immobilisation des enzymes sur supports textiles. Principalement, l’activité catalytique et l’intensité de bioluminescence de système de bactéries lumineuses ont été évaluées et optimisées dans la phase aqueuse, par des mesures d’intensités à l’aide d’un luminomètre. De plus, le système de réaction optimisé a été incorporé aux textiles pour évaluer la bioluminescence, qui peut atteindre des valeurs aussi élevées que 60 000 RLU, équivalentes à celles des lampes LED. L’étude a révélé une première tentative réussie d’utiliser une stratégie biomimétique par l’immobilisation d’enzyme (s) sur un textile non tissé microfibreux activé par plasma pour produire des matériaux bioluminescents. La flavine mononucléotide- «FMN» est une ressource biosourcée dérivée de la riboflavine (RF). La présence du cycle isoalloxazine présent dans le RF et la FMN explique leur photoluminescence. Ainsi la conception des textiles bioluminesents/photoluminescents nécessite l’utilisation du FMN comme substrat dans un procédé enzymatique, mais le FMN utilisé seul, peut également produire des textiles photoluminescents. Différentes méthodes de fonctionnalisation ont été utilisées pour immobiliser la FMN au cœur ou à la surface de fibres textiles, pour la mise en œuvre des textiles photoluminescents, dont les rendements quantiques ont été mesurés. Les textiles cellulosiques fonctionnalisés par la méthode de diffusion, présentent une fluorescence jaune verdâtre mais aussi des propriétés multifonctionnelles telles que la protection UV et la coloration. L’utilisation des techniques telles que le jet d’encre et le chromojet (techniques d’impression numérique) permet d’immobiliser le FMN à la surface des fibres cellulosiques et de polyester. Certains tissus deviennent alors antibactériens, en plus d’autres propriétés acquises. L’étude de photodégradation du FMN sur les textiles imprimés montre une variation de l’intensité et de longueur d’ondes de fluorescence : la fluorescence jaune transite vers une fluorescence bleue puis blanche en fonction de la durée et de l’intensité d’exposition à la lumière. Par la suite, des panneaux non tissés en PET à motifs luminescents ont été conçus en utilisant après une préactivation de surface textile par le plasma, des méthodes classiques telles que l’impression cadre et l’enduction, à l’aide de certains biopolymères. Celles-ci permettent la création de motifs à la surface textile capables d’émettre la lumière et créer des expressions esthétiques intéressantes. Par conséquent, l’étude a permis d’explorer l’utilisation de produits biosourcés pour produire des textiles photoluminescents et bioluminescents en utilisant des méthodes de fonctionnalisation et éco-technologiques.

Résumé traduit

Transfer of knowledge inspired by nature to technological applications has enabled scientists to create sustainable solutions. Nature has designed a few biobased molecules that are responsible for bioluminescence and photoluminescence in some living species. In this thesis, the potential use of luminescence phenomena existing in nature toward the attainment of luminescent textiles was explored. In the first part of the thesis, a detailed literature study on luminescence phenomena seen in nature, was reviewed. The results allowed the selection of luminous bacteria reaction system based upon the availability, regeneration of the substrate, and cost of biochemicals. The selected ‘luminous bacteria’ bioluminescent reaction involves two enzyme(s) bacterial luciferase (Luc) and FMN reductase (Red), a biobased substrate flavin mononucleotide (FMN) along with co-factors such as NADH and a long-chain aldehyde. Eco technologies such as air atmospheric plasma and cold remote plasma treatment were used for textile fiber surface activation, allowingenzyme immobilization. Primarily, the catalytic activity and luminescence efficiency of the luminous bacteria system were evaluated and optimized in the aqueous phase, by intensity measurements using a luminometer. Furthermore, the optimized reaction system was incorporated onto textiles to evaluate the bioluminescence effect. The evaluation of the bioluminescent system on textiles showed that the relative light intensity (RLU) as high as 60,000 RLU equivalent to that of LED light could be achieved. The study revealed its first successful attempt to utilize a biomimetic strategy for immobilization of enzyme(s) involved in the luminous bacteria reaction system onto a plasma-activated microfibrous nonwoven textile to attain bioluminescent materials that can be used for various applications. Besides, flavin mononucleotide widely known as 'FMN' is a biobased resource derived from riboflavin (RF). The isoalloxazine ring present in both the RF and FMN molecules attributes the photoluminescence phenomenon. Thus, with the emulation and design to obtain biomimetic luminescent textiles/bioluminescent materials using FMN as a substrate in enzymatic process, the potential use of native FMN molecule as such to produce photoluminescent textiles was also explored. Different functionalisation methods were used to immobilize the FMN inside the textile fiber or at the fiber surface, to produce photoluminescent textiles whose quantum efficiencies were determined Cellulosic textiles functionalized using diffusion method, exhibit greenish-yellow fluorescence, but possess equally multifunctional properties, such as UV protection and coloration. Later, the ability of FMN to implement photoluminescent textiles was explored using inkjet and chromojet (digital printing techniques) by immobilizing FMN on different textile fiber surface(cellulose and polyester). Some of such functionalized fabrics exhibit additionally, antibacterial properties along with other properties mentioned.. Furthermore, the photodegradation study of FMN on printed textiles resulted in varying fluorescence intensity and wavelength, shifting from yellow, to blue and then to white fluorescence, depending on the light irradiation time and intensity. Thereafter, glow-in-dark patterned PET nonwoven panels were designed after surface activation with plasma, using certain biopolymers through screen printing and coating methods. This can allow textile surface pattern designers to create light-emitting textiles with interesting aesthetic expressions. Hence, the study enabled to explore the use of biobased products to produce photoluminescent and bioluminescent textiles using functionalization and eco-technological methods.

  • Directeur(s) de thèse : Behary Massika, Nemeshwaree - Nierstrasz, Vincent - Guan, Jinping - Chen, Guoqiang
  • Laboratoire : Laboratoire de génie et matériaux textiles (Roubaix, Nord)
  • École doctorale : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

AUTEUR

  • Iyer, Sweta
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