3C Nanobiotechnologies, Référent d’option: E. Gaigneaux

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2 3C Nanobiotechnologies, Référent d’option: E. Gaigneaux
matériaux et catalyse Référent d’option: E. Gaigneaux Co-référent : C. Dupont 2

3 Quels défis à rencontrer ?
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Quels défis à rencontrer ? de la MATIERE Inorganique Polymères Biomolécules & Cellules vivantes Comment faire pour qu’elle ait des propriétés, fonctions et comportements dont notre société a besoin ??? aux MATERIAUX Capables de CATALYSER des dépollutions la production des (bio)carburants et de l’énergie Valoriser des molécules (pétro)chimiques Transformer la biomasse Fabriquer des molécules chimiques  pharmacie / cosmétique Résistants à la corrosion, autonettoyants  acier / verre Elastiques, thermo/électro/hygrochromes  matériaux intelligents NANO(BIO)TECHNOLOGIES Nanoscopie du vivant  biologie cellulaire, microbiologie et biomed Biomatériaux – Biocompatibilité  génie biomédical Biomimétisme & biomembranes  ingénierie cellulaire et tissulaire

4 Compétences à acquérir
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Compétences à acquérir Organiques biologiques macromolécules (ADN, ARN, protéines) & cellules Organiques de synthèse plastiques (PET, PVC, PE) Inorganiques métaux oxydes (ciment, chaux, acier) 1° Comment s'organise la matière (nano  macro) : masse ? surface ? 2° Quelles propriétés (mécaniques, électriques, chimiques, biocompatibilité, etc) découlent de cette organisation et comment ? 3° Démarche d’ingénieur :  exploiter cette compréhension  façonner des matériaux avec des propriétés/fonctionnalités désirées  mettre en oeuvre dans le domaine des/de la : NANOBIOTECH POLYMERES CATALYSE

5 Dispositif pédagogique
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Dispositif pédagogique Exploiter  Façonner  Valoriser +3 ECTS au choix Catalyse hétérogène (5 ECTS) Familles de catalyse(urs), grands mécanismes et procédés, préparation de catalyseurs Nanobiotechnologies (3 ECTS) Nanoscopie du vivant, biosenseurs, biomimétisme, machines moléculaires, nanofabrication, etc Biomatériaux (3 ECTS) Liens propriétés des biomats & interactions avec organismes  biocompatibilité, ingénierie tissulaire Chimie des solides (4 ECTS) Classification, défauts, conductivité, corrosion, frittage, approches atomiques jusqu’à macro Biochimie structurale & fonctionnelle (2 ECTS) Structure des protéines et acides nucléiques Polymer science & engineering (5 ECTS) Caractéristiques moléculaires et phénomènes dynamiques des chaînes polymères Caractérisation de la surface des matériaux (5 ECTS) Spectroscopies de surface, microscopies électroniques et champ proche, physi-chimisorption Organisation et lien avec les propriétés Outils d’observation de la matière

6 Thématiques de recherche typiques
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Thématiques de recherche typiques Concevoir des catalyseurs pour  protéger l’environnement : Détruire les polluants de l’air Transformer le CO2 en molécules utiles Produire des éco-(bio)-carburants et des bio-lubrifiants  servir l’industrie chimique : Fabriquer des molécules nécessaires pour la fabrication de plastiques Synthétiser les solvants  servir la chimie fine : Fabriquer des molécules indispensables en parfumerie et pharmacie  développer la chimie bio-sourcée : Fabriquer des molécules à partir de biomasse au lieu de pétrole

7 Thématiques de recherche typiques
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse Thématiques de recherche typiques Explorer le vivant à l’échelle nano pour comprendre la cellule vivante Observer la structure et l’organisation Mesurer l’adhésion et l’élasticité Comprendre les fonctions cellulaires Développer de nouvelles applications biotech (p. ex. probiotiques) & biomed (p. ex. lutte contre les pathogènes) Protéines et cellules aux interfaces  comprendre les interactions biomolécules-matériaux et cellules-matériaux Améliorer les performances de tests de diagnostic Développer des matériaux servant de support pour l’ingénierie tissulaire

8 Posters présentés 3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse
POSTER 10- Catalyseurs ‘hétéropolyacides’ pour la déshydratation du méthanol en diméthyléther  Josefine Schnee and Eric Gaigneaux POSTER 11- Catalyseurs nanostructurés (mésopores et nanoparticules métalliques) pour l’activation du CO2  Ara Kim and Damien Debecker POSTER 12- Elaboration de biointerfaces 3D via l’assemblage de nanotubes mimant les matrices extracellulaires, pour l’application à l’ingénierie tissulaire  Damien Lefèvre and Christine Dupont POSTER 13- Nanoscopie du vivant et maladies infectieuses  Philippe Herman and Yves Dufrène POSTER 14- Imagerie « haute définition » de systèmes biologiques et caractérisation des propriétés biophysiques par microscopie à force atomique David Alsteens (and Yves Dufrène)

9 « carburant du 21ème siècle »
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse POSTER ### Catalyseurs ‘hétéropolyacides’ pour la déshydratation du méthanol en diméthyléther  Josefine Schnee Catalyseur acide Charbon Biomasse 2 CH3OH CH3OCH H2O 300°C DME Méthanol Potentiel « carburant du 21ème siècle » Biodégradable dans l’air Non toxique Pas d’émissions de NOx ni de particules Catalyseurs = hétéropolyacides (p.ex. H3PW12O40) Caractérisation = Spectroscopies « Operando »

10 Ti(OBu)4: acetic acid: HCl: ethanol: F127
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse POSTER ### Catalyseurs nanostructurés (mésopores et nanoparticules métalliques) pour l’activation du CO2  Procédé innovant de préparation de solide poreux (aérosol)  Préparation « verte » suspension colloïdale de Ru Nanoparticules de Ru  Préparation de catalyseurs Ru/TiO2 Ti(OBu)4: acetic acid: HCl: ethanol: F127 Oxyde de titane poreux  Recherche de performances dans la méthanation du CO2 en conditions douces Imprégnation, déposition, etc. CO H CH H2O Patm, ≤200°C , , etc.

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POSTER ### Elaboration de biointerfaces 3D via l’assemblage de nanotubes mimant les matrices extracellulaires, pour l’application à l’ingénierie tissulaire Ingénierie tissulaire = utilisation de cellules vivantes pour remplacer ou réparer des tissus endommagés ou malades scaffold 1 µm Nous élaborons des « scaffolds » nanostructurés à base de protéines de la matrice extracellulaire (collagène) pour supporter la croissance et la différenciation des cellules La science des biomatériaux (= matériaux destinés à entrer en contact avec le corps humain) et l’ingénierie tissulaire (= stratégies de réparation ou de remplacement de tissus voire d’organes basées sur l’utilisation de cellules prélevées sur le patient, et sur leur mise ne culture sur un matériaux « scaffold » qui sera réimplanté) sont en plein essor, notamment en raison du vieillissement de la population, mais aussi de notre volonté d’augmenter le bien-être (cf un des axes du développement durable – le pilier social). Ces sciences/technologies sont hautement multidisciplinaires (chimistes, physiciens, spécialistes des matériaux, biologistes, pharmaciens, médecins, juristes etc sont impliqués dans le développement d’applications, du concept à la clinique). Le bio-ingénieur a une formation idéale (polyvalence) pour servir de cheville ouvrière à ce type de projet. Nous développons des « scaffolds » qui devront permettre la croissance et la différenciation de cellules souches (càd cellules peu différenciées, qui seront orientées vers un type cellulaire bien défini, pex tissu osseux). Pour cela, nous utilisons comme matériau de base les protéines de la matrice extracellulaire (collagène). Nous essayons de recréer des architectures typiques de ce qui est observé in vivo (structures fibrillaires aux échelles nano/micro). On peut parler d’approche biomimétique (càd qui mime la nature). Des membranes formées par l’enchevêtrement de nanotubes sont en cours d’élaboration (cf poster pour les détails de préparation). Les nanotubes qui forment ces membranes pourront aussi servir à relarguer des principes actifs (pex antibiotique ou facteur de croissance), ce qui améliorera les dispositifs en les rendant multifonctionnels.

12 POSTER ### Nanoscopie du vivant et maladies infectieuses
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse POSTER ### Nanoscopie du vivant et maladies infectieuses  Philippe HERMAN  Microscopie: de l’optique à l’atomique  Application aux maladies infectieuses: comment se forment les biofilms? AFM: biofilm bactéries  (i) Observer la nanostructure de surface  (ii) Mesurer et contrôler l’adhésion Depuis l’invention du microscope optique au 17e siècle, des progrès énormes ont été réalisés en microscopie. Depuis peu, le microscope à force atomique AFM permet d’observer et manipuler le vivant à l’échelle nanométrique, càd l’échelle des molécules. Cette technologie nouvelle, appelée nanoscopie du vivant, est appliquée dans l’équipe du Pr Dufrene pour mieux comprendre l’étape initiale de très nombreuses infections, à savoir l’adhésion des germes pathogènes aux surfaces, conduisant à la formation de biofilms, structures très résistantes aux antibiotiques. Il s’agit d’une part d’observer la surface des microbes à l’échelle nano, et d’autre part de quantifier les forces adhésives entre microbes et cellules hôtes ou implants, pour à terme pouvoir mieux les contrôler. bactérie

13 POSTER ### Imagerie « haute définition » de systèmes
3C Nanobiotechnologies, matériaux et catalyse POSTER ### Imagerie « haute définition » de systèmes biologiques et caractérisation des propriétés biophysiques par microscopie à force atomique. Imagerie de cellules mammaliennes vivantes (cellules de foie) et extraction des propriétés biophysiques (rigidité et adhesion)  Cartographie des sites d’intéractions du virus de la rage sur des synapses de neurones de rat   Pour remplir ses diverses fonctions, les cellules mammaliennes présentent des propriétés structurelles, biophysiques et chimiques qui évoluent de manière dynamiques en fonction des besoins de la cellule. A l'heure actuelle, comment les cellules établissent et régulent leurs propriétés et leurs intéractions pour guider la machinerie moléculaire restent méconnu. A la croisée des nanotechnologies et des sciences du vivant, ce projet a pour objectif de mieux comprendre les propriétés biomoléculaires ainsi que les interactions dynamiques qui régulent la machinerie moléculaire des cellules, via l'utilisation de nouveaux outils à haute-résolution directement sur des cellules vivantes. La stratégie générale sera de tirer parti des récents développements de la microscopie à force atomique pour dresser des images topographiques des surface cellulaires et de combiner celles-ci avec une cartographie quantitative des leurs propriétés physiques, chimiques et biologiques. De plus, une corrélation simultanée avec la microscopie optique à épifluorescence ou confocale à balayage laser, nous permettra de suivre les processus cellulaires dynamiques sous-jacent. Objectif: Comprendre comment s’organisent des systèmes biologiques à l’échelle moléculaire en utilisant une platforme d’imagerie et de caractérisation des propriétés biophysiques.

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