• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie théorique, physique, analytique
• Identifiant : 2023ULILR023
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 26/05/2023

Résumé en langue originale

Les matrices 3D produites par électrospinning imitent la matrice extracellulaire native et sont plus faciles à traiter que les matrices conventionnelles. Pour les applications d'ingénierie tissulaire, il serait idéal d'utiliser ces matrices, bien que les causes de ce phénomène soient encore inconnues. Par conséquent, mon objectif était de créer et de caractériser des fibres 3D par électrospinning et d'étudier le comportement des interactions solvant-sel et solvant-eau avec différentes méthodes de simulation numérique.Tout d'abord, j'ai analysé les mélanges DMF-eau de différentes compositions à partir des données de simulation de dynamique moléculaire avec les méthodes de distribution radiale, du plus proche voisin et du polyèdre de Voronoï. Les résultats indiquent clairement que le DMF se mélange très bien avec l'eau à l'échelle moléculaire, alors qu'il y a une certaine tendance à l'auto-association même dans leurs systèmes dilués. Les liaisons H entre l'eau et l'eau restent alors que les valeurs de fraction molaire de DMF augmentent parallèlement à la disparition des clusters d'eau. Ceci s'explique par l'augmentation des groupes CH3 qui renforcent la structure des liaisons H, et aussi par le fait que les atomes O du DMF peuvent facilement remplacer les oxygènes de l'eau.Ensuite, j'ai caractérisé les interactions DMF-sel avec des calculs DFT et la spectroscopie de vibration. Contrairement à ce qui s'était passé avant, l'anion a également été inclus dans le calcul. Bien que la concentration du sel dans le DMF soit assez saturée, les résultats sont alignés avec les données expérimentales. Les données calculées et expérimentales suggèrent que le MgCl2 tend à avoir l'interaction la plus forte avec les molécules de DMF (et aussi d'eau), alors que tous les sels forment des complexes avec la molécule de solvant. Seuls les sels où la formation de complexes peut être trouvée ont produit une structure 3D pendant la méthode d'électrospinning, donc la qualité du sel et son interaction avec la molécule de solvant est une clé pour un résultat réussi, et pas seulement l'accumulation de charge comme on le pensait auparavant.Enfin, j'ai créé de manière reproductible des structures 3D PSI sans solvant et les ai caractérisées par MEB et spectroscopie vibratoire. Bien que l'on puisse observer une différence dans le diamètre des fibres, d'après les statistiques, il n'y a aucune corrélation avec la concentration en sel. Bien que la gélification se produise dans certains cas, le CaCl2 peut être un bon candidat à l'avenir pour mieux optimiser les paramètres d'électrospinning et être utilisé pour des applications biomédicales.Ces résultats peuvent conduire à la compréhension finale de la façon dont la structure 3D peut être réalisée avec différents polymères, mais il reste encore beaucoup de travail à faire.

Résumé traduit

3D scaffold produced by electrospinning mimic the native extracellular matrix, has better processability than conventional electrospinning. For tissue engineering applications would be ideal to use these scaffolds although the causes of this phenomena are still uncovered. Therefore, my aim was to create and characterize 3D electrospun fibers with electrospinning technique and investigate the behavior of the solvent salt and solvent-water interactions with different computational simulation methods.Firstly, I analyzed DMF-water mixtures of various compositions from the molecular dynamics simulation data with radial distribution, nearest neighbor and Voronoi polyhedra methods. The results clearly show that DMF mix very well with water on molecular scale, while there's some tendency for self-association even in their dilute systems. The water-water H-bonds are remains while increasing DMF mole fraction values parallel the water clusters are disappearing. This is explained by the increasing CH3 groups enhance H-bonding structure, and also by the DMF's O atoms can easily replace water oxygens.Then, I characterized the DMF-salt interactions with DFT calculations and Vibrational spectroscopy. Unlike before, the anion was also included to the calculation. While the concentration of the salt in DMF was quite saturated, the results are align with experimental data. Both the calculated and the experimental data suggest that MgCl2 tends to have the strongest interaction with DMF (and also water) molecules, while all of them forms complexes with the solvent molecule. Only the salts where complex forming can be found produced 3D structure during electrospinning method, therefore the quality of the salt and its interaction with the solvent molecule is a key to a successful outcome, not just charge accumulation as thought before.Lastly, I reproducibly created solvent free 3D PSI meshes and characterized with SEM and Vibrational spectroscopy. While one can observe a difference in fiber diameter, from the statistics there's no correlation with the salt concentration. While gelation occurs at some cases, CaCl2 can be a good candidate in the future to better optimize the electrospinning parameters and used for biomedical applications.These findings can lead to the final understanding how the 3D structure can be achieved with different polymers however there' still a lot of work ahead.