[Thèse] Lila Séguy : "Etude de la congélation d’hydrogels : Géométrie, Déformation et Transports" скачать в хорошем качестве

[Thèse] Lila Séguy : "Etude de la congélation d’hydrogels : Géométrie, Déformation et Transports"

Les hydrogels sont des matériaux composés d’une matrice de polymères liés physiquement ou chimiquement pouvant contenir une quantité importante d’eau. Leur congélation possède des applications dans le domaine de la reconstruction de tissus vivants et la fabrication de biomatériaux. En effet, ce processus permet de modifier la porosité initiale de l’hydrogel. D’un point de vue fondamental, la solidification de cette structure complexe soulève de nombreuses questions sur la dynamique du phénomène, la déformation de l’objet, la morphologie du front de congélation et les transports de polymères et d’eau dans la matrice. L’étude de ces différents aspects s’est faite à l’aide de deux dispositifs expérimentaux différents, l’un permettant la congélation par diffusion d’hydrogels sur un substrat froid et le second imposant une solidification à vitesse constante sur un gradient thermique fixé. Dans un premier temps, nous avons étudié la dynamique de congélation des hydrogels sur un substrat en dessous de sa température de congélation et montré que celle- ci est similaire à la congélation d’eau pure jusqu’à une certaine température. En-dessous de cette dernière, des phénomènes d’adhésion au substrat de natures différentes pour l’eau et l’hydrogel viennent ralentir la congélation. Par ailleurs, la glace étant moins dense que l’eau, le changement de phase entraine un accroissement de volume d’environ 9% qui dans le cas d’une goutte d’eau entraîne la formation d’une pointe sur son sommet. Nous avons montré que dans le cas de l’hydrogel la matrice de polymère modifie radicalement la déformation, conduisant à une dilatation de l’objet uniquement dans la direction du changement de phase. La structure du front de congélation est également très différente dans le cas d’un hydrogel, le polymère venant déstabiliser l’interface eau/glace qui est plane dans le cas d’un liquide pur. Nos deux dispositifs expérimentaux ont été utilisés pour observer la morphologie du front de congélation dans un gel d’agar mis en contact avec un substrat froid, et celle d’un gel de pullulane/dextrane en congélation à vitesse constante. Dans le premier cas, nous avons expérimentalement observé un changement brutal de structure de front de congélation à une certaine vitesse de propagation dépendante de la concentration du gel. Le second cas a permis d’observer la formation de cristaux de glace dirigés dans des gels compatibles avec les tissus humains, dans le cadre d’une collaboration avec d’autres laboratoires. Enfin, au sein de la matrice, le solvant se déplace et nous avons observé expérimentalement que le processus de congélation entraîne des mouvements radicalement différents selon la vitesse de congélation et la concentration en polymère. A faible vitesse, le phénomène de cryosuccion, étudié principalement dans la congélation des sols, est également observé dans nos gels : l’eau de la matrice poreuse est tirée vers le front de glace. Au contraire, à des vitesses plus élevées et pour certaines concentrations, un échappement d’eau est observé sur une zone au dessus de l’interface eau/glace où les concentrations en polymère et solvants sont profondément altérées. Ce phénomène peut être en partie expliqué par le caractère poroviscoélastique du gel d’agar.