Tailor-Made Functional Polymeric (circular) Materials

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Matériaux polymériques fonctionnels (circulaires) sur-mesure

Hatice Mutlu  hatice.mutlu@uha.fr

Développement de molécules-plateformes et polymères sur mesure, basé sur une stratégie de durabilité

Hatice Mutlu

Les défis environnementaux, tels que la pollution et l’épuisement des ressources naturelles, ont accru la demande en matériaux renouvelables au cours des dernières années, tant dans le milieu académique qu’industriel. Par conséquent, les efforts se sont concentrés sur le développement et l’amélioration de méthodologies durables (vertes) prenant en compte la diversité structurelle des ressources renouvelables et des produits chimiques qui en dérivent. Ces avancées visent à ouvrir de nouvelles voies de valorisation de matières premières renouvelables. Nos résultats soulignent que la mise en place de stratégies chimiques plus durables est essentielle pour produire des matériaux respectueux de l’environnement présentant un fort potentiel biomédical, notamment en tant que substituts innovants du cartilage.

Conception de matériaux à base de soufre pour une chimie circulaire

Hatice Mutlu

Nos recherches portent sur le développement d’une nouvelle génération de matériaux, à savoir de nouveaux polymères fonctionnalisés au soufre, synthétisés selon les principes de chimie circulaire. Nous combinons la chimie organique de synthèse et la chimie des polymères avec des transformations synthétiques innovantes afin d’établir des voies de synthèse atomiquement efficaces et durables. En tirant parti de la réactivité et de la polyvalence uniques du soufre, nous concevons des matériaux capables de compléter ou dépasser les systèmes traditionnels à base de carbone et d’oxygène. Ces polymères riches en soufre présentent un fort potentiel d’application dans les domaines de l’énergie, de l’environnement et du biomédical.

Conception de macromolécules à fonctionnalisation de précision et stimulables

Hatice Mutlu

Nos recherches associent la fonctionnalisation de précision des polymères à une ingénierie macromoléculaire avancée afin d’accéder à des matériaux complexes, répondant à des stimuli, et biomimétiques. En partant de la polymérisation contrôlée de monomères (ré)actifs, des modifications des polymères sont ensuite réalisées pour introduire des groupes réactifs définis le long des chaînes de polymères, permettant ainsi une fonctionnalisation spatialement programmée. Grâce à l’utilisation de groupes réactifs orthogonaux et de réactions multicomposants, nous générons des copolymères à blocs hautement fonctionnalisés, des polymères à terminaisons spécifiques et des systèmes hybrides modulaires dans des conditions économes en atomes et conformes aux principes de durabilité.

En s’appuyant sur ces méthodes, nous développons des systèmes macromoléculaires dynamiques et réactifs qui reproduisent certaines caractéristiques de biomolécules naturelles. De nouvelles chimies de formation de polymères et de conjugaison permettent la construction d’architectures hybrides, notamment des nanoparticules à chaîne unique (SCNPs) et des nanostructures fluorescentes auto-immolatives. Ces systèmes se comportent comme des analogues synthétiques de protéines, capables de changements conformationnels induits par la lumière, d’une activité catalytique contrôlée, et de fonctions auto-rapportées. Cette synergie entre méthodologie et fonctionnalité permet de traduire la précision moléculaire en propriétés macroscopiques modulables. Les polymères photo- et rédox-stimulables, les bio-conjugués et les macromolécules actives en surface obtenus présentent un fort potentiel pour des applications en vectorisation de médicaments, imagerie, biocapteurs et matériaux adaptatifs. Ensemble, ces travaux établissent une plateforme de chimie des polymères programmable, faisant le lien entre le contrôle synthétique et la complexité biologique.

Matériaux auto-rapportants

Hatice Mutlu

Dans le cadre de nos efforts visant à mimer les fonctions des matériaux naturels, nous ne nous sommes pas limités à la synthèse de matériaux mous dynamiques et photo-stimulables, présentant une luminescence ou une fluorescence permanente ou latente. Nous avons également démontré que la lumière constitue un outil puissant pour suivre les espèces réactives de l’oxygène (ROS) de manière auto-rapportée. Le luminol a suscité un vif intérêt scientifique en raison de son faible coût et de sa compatibilité avec un grand nombre d’analytes ; toutefois, l’émission chimiluminescente (CL) générée lors de l’oxydation du luminol reste d’une intensité relativement faible. Par conséquent, une superbase à base de guanidine a été développée comme amplificateur de CL particulièrement efficace. Contrairement aux bases conventionnelles, les superbases organiques ont permis la synthèse de monomères destinés à être intégrés dans des polymères multifonctionnels, ouvrant ainsi la voie au développement de systèmes polymériques auto-rapportants basés sur la chimiluminescence.

De plus, dans le but de démontrer que les polymères auto-rapportants présentent un grand potentiel, tant pour les applications dans les matériaux techniques (par ex. les polymères à base de soufre), que dans les domaines de la vectorisation thérapeutique et de l’imagerie, des polymères à forte teneur en soufre ont été synthétisés. Ces derniers peuvent servir de matériaux-plateformes dotés de fonctions spécifiques (par exemple l’auto-organisation, l’auto-tri adaptatif, le mouvement moléculaire, la réplication et la transcription, entre autres), et présentent un potentiel d’application en tant que biopuces protéiques.

Tout récemment, dans la continuité de ces activités de recherche sur les polymères à base de soufre, une nouvelle classe de polymères soufre-azote a été synthétisée. Notamment, ces polymères miment des dérivés d’acides aminés et suscitent un intérêt particulier en raison de leur potentielle activité antibactérienne et antifongique.

Conception moléculaire circulaire : recyclage chimique, réaffectation et création de matériaux hybrides à partir de déchets industriels et domestiques

Hatice Mutlu

Nos recherches établissent une plateforme chimique circulaire complète reliant le recyclage, la réaffectation, et la valorisation de flux de déchets industriels et domestiques. Au-delà de la revalorisation classique, nous développons des stratégies de transformation guidées au niveau moléculaire, permettant de convertir des polymères en fin de vie, des sous-produits de raffinerie ainsi que des résidus ménagers, en matériaux hybrides fonctionnels présentant des propriétés déterminées. Grâce à la chimie des polymères à base de soufre, nous transformons le soufre élémentaire (S₈), sous-produit pétrolier généré à raison de plusieurs millions de tonnes par an, en réseaux polymériques riches en soufre et en hybrides organiques–inorganiques, capables de se substituer aux matériaux issus du carbone fossile. Ces matériaux présentent une multifonctionnalité pertinente pour le stockage d’énergie, la dépollution environnementale et les biocapteurs. En parallèle, des dérivés du polybutadiène et du polyéthylène sont recyclés et réaffectés chimiquement en oligomères et matériaux fonctionnels à plus forte valeur ajoutée, prolongeant la durée de vie des polymères tout en diversifiant leurs applications.

Par ailleurs, les flux de déchets domestiques, tels que l’huile de cuisson usagée et les coquilles d’œufs (riches en CaCO₃ et autres minéraux), sont retransformés en matrices organiques contenant jusqu’à 90 % en masse de soufre, formant des réseaux hybrides robustes à large potentiel d’application en catalyse, composants de batteries et composites fonctionnels. Ensemble, ces travaux définissent une approche de chimie des matériaux orientée vers la circularité, intégrant la reconception des matières premières, l’économie élémentaire et la synthèse de matériaux hybrides fonctionnels, afin de transformer des ressources sous-utilisées en matériaux durables de nouvelle génération.