Les nanofibrilles de cellulose (NFC) obtenues à partir du bois sont un matériau biosourcé et renouvelable qui trouve son intérêt dans des applications récentes, par exemple des fibres et composites pour le béton, l'industrie automobile ou les matériaux d’emballage. Par ailleurs, la surface spécifique importante des NFC (50-150 m²/mg), leur non-toxicité et leur grande stabilité mécanique les rendent également pertinentes comme nano-plateformes de chimie, notamment pour des applications innovantes dans les domaines de l’énergie ou de la santé. Dans le domaine de la santé, par exemple, les nanofibrilles sont envisagées comme vecteurs de médicament « intelligents » à libération contrôlée. Le succès de cette voie repose, néanmoins, fortement sur la capacité à comprendre en détail la chimie de surface mise en œuvre lors du greffage de la molécule active.

Les chercheurs de l’Irig, en collaboration avec le Centre Technique du Papier (CTP) et trois autres laboratoires grenoblois (LGP2, DPM et Cermav), sont parvenus à étudier en détail la surface des NFC fonctionnalisées par une molécule thérapeutique. Les résultats ont été obtenus grâce à une technique de caractérisation originale développée à l’Irig : la RMN solide haute résolution couplée à la polarisation dynamique nucléaire (DNP). Cette technique permet d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur la sensibilité de la RMN conventionnelle à l'état solide. Ainsi, alors que cette étude portait sur des NFC présentant un faible taux de greffage, la DNP a permis d’obtenir des informations importantes sur leur chimie de surface au cours des différentes étapes de transformation, depuis le matériau de départ jusqu’à sa fonctionnalisation.

Concernant le matériau de départ, les chercheurs sont parvenus à détecter sans ambiguïté des fragments du composé chimique TEMPO utilisé pour la pré-oxydation des NFC. Ils ont également pu caractériser la présence d’unités cellulosiques dépolymérisées. Après greffage en surface des NFC, les données obtenues par DNP révèlent la persistance de la présence d’agents de couplage résiduels utilisés pour la réaction de fonctionnalisation (amidation), même après plusieurs lavages. De plus, les mesures permettent d’estimer la quantité de molécules actives présentes en surface, tout en différenciant l'adsorption du greffage covalent. Ces informations remarquables ont pu être obtenues sans avoir recours au marquage isotopique, ce qui était hors de portée des techniques conventionnelles d’analyse.

Ces premiers résultats ouvrent la voie à l’utilisation des informations fournies par la DNP pour le développement d’une chimie de surface efficace et reproductible des nanofibrilles de cellulose.


Spectres RMN ¹³C CPMAS de nanofibrilles de cellulose modifiées en surface par des molécules de furane (CNF-fur) avec et sans hyperpolarisation DNP.
Au-delà des résonances ¹³C de la cellulose (C1 à C6), on peut clairement détecter la présence de molécules de furane greffées en surface sur le spectre DNP (voir l'encart avec une vue agrandie x50).