Auto assemblage de copolymères « intelligents »
La particularité d’un polymère stimulable est son changement de comportement lors d’une modification de son environnement. Ce changement qui peut être de nature physique ou chimique est le plus souvent réversible, il se traduit par une modification rapide de la microstructure du polymère (la forme, les caractéristiques de surface, la solubilité) par l’action d’un stimulus. [20] Il existe 2 grandes catégories de stimulus (Figure 7 ) : [21]
– Stimulus physique ou externe : température, lumière, champ magnétique ou électrique, ultrason…
– Stimulus chimique ou interne : pH, force ionique, molécules chimiques (réducteur par exemple le glucose)
Plus récemment, a été découvert un autre type de stimulus de nature biochimique qui agit de façon interne via l’action d’agent biochimique, d’enzyme, de ligand ou encore d’antigène.
pH-sensible
Le pH est un stimulus chimique interne. Un polymère pH- sensible comporte une f o nction acide (acide carboxylique ou sulfonique par exemple) ou basique (sels d’ammonium) . Le groupement concerné est capable de se proto ner ou déprotoner formant un polyé lectrolyte de type po l yanion ou polycation. Un changement du pH dans l’environnement d’un polymère comportant des groupements ionisables entraîne une modification du degré d’ionisation à une valeur spécifique appe lée pKa. Ainsi, la variation de pH affecte les interactions ioniques, les liaisons hydrogènes et les inte ractions hydrophobes et modifie donc la balance hydrophile/hydrophobe ce qui affecte la solubilité du polymère en milieu aqueux (les chaînes de polymère sont contractées ou étendues). De ce fait, un polyacide (ex. le PAA de pKa ~ 5) va s’étendre lorsqu’il se trouve à pH basique du fait de sa déprotonation. A l’inverse, une polybase (ex. le PDMAEMA de pKa ~ 7,5) mise en milieu acide va accepter des protons, la chaîne de polymère va donc s’étendre.
Polybase
A l’inverse d’un polyacide, une polybase est déprotonée à pH élevé et protonée à pH neutre et faible. Les groupements caractéristiques responsables de la transition ionisation/déionisation sont de type amine, pyridine ou encore imidazole. En tant que polybase, on peut citer de façon non exhaustive le poly(méth acrylate de diméthylaminoéthyle) (PDMAEMA) et le poly(méthacrylate de di éthyle amino éthyle) (PDEAEMA) possédant un e fonction amine ionisable à pH inférieur à 7,5 et 7,3 respectivement et les poly(2- ou 4-vinylpyridine) (PVP) présentant une transition à pH < 5 avec déprotonation des groupements pyridines. [25] Un autre exemple, le poly(méthacrylate de N- éthyle pyrrolidine) (PEPyM) est illustré Figure 10.
Exemples de systèmes micellaires pH-sensibles
Comme préalablement mentionné, le comportement d’un système auto- assemblé peut être affecté par les propriétés pH- sensible du copolymère le constituant via la modulation d e la balance hydrophile/hydrophobe. Selon les études, la variation de pH peut être utilisée pour générer la désorganisation de nanostructure s en unimères [26] [31] ou encore pour modifier leur morphologie.
La transition unimères/micelles a par exemple été observée pour le copolymère comportant un bloc PHEMA (poly(méthacrylate de 2- hydroxyéthyle)) neutre et un bloc PDEAEMA ionisable. A faible pH les groupements amine s sont protonés, le copolymère est totalement hydrophile, il y a seulement présence d’unimère en solution. Une élévation de pH permet de rendre le bloc PDEAEMA plus hydrophobe provoquant la formation de micelles avec un cœur PDEAEMA.
Les systèmes pH- sensibles suscite nt un intérêt, notamment dans le domaine biomédical du fait des différents pH rencontrés dans le sang, les organes, les cellules par exemple. Ainsi, denombreuses études se sont intéressés aux systèmes micellaires formés par un cœur hydrophobe et une couronne hydrophile pH- sensible et à leur transition morphologique. Par exemple, Car et al. ont étudié le relargage de la doxorubicine (DOX) sur le copolymère PDMS- b- PDMAEMA (Figure 11). La diminution de pH permet un e modification de la morphologie du copolymère associé avec présence d’un système monomodal de 192 nm à pH 7,4 et bimodal (165 et 62 nm) à pH 5. La désorganisation en unimères n’est donc pas observée mais le relargage de la DOX est beaucoup plus rapide à pH 5 (> 80% au bout de 2 h contre 10% à pH 7,4).
Conclusion
Il est possibles d’obtenir une variété de systèmes micellaires pH- sensibles et d’en moduler le comportement grâce à une modification de son environnement. De part le choix du polyélectrolyte (polybase ou polyacide), l e domaine d’application de ces systèmes reste très varié. Mis à part les stimuli chimiques (internes), les stimuli physiques externes peuvent également permettre la construction et la modulation de systèmes micellaires. L’un des plus étudiés dans la littérature et que nous allons détailler par la suite est la température.
Thermo sensible
Introduction au comportement thermo-sensible
La température est un des stimuli externes le plus couramment utilisé car relativement facile à contrôler. Le comportement thermosensible des polymères repose sur la nature intrinsèque des interactions solvant/chaînes de polymère et chaînes de polymère entre elles (liaisons hydrogènes et liaisons hydrophobes). Un polymère thermo- sensible est caractérisé par une température critique basse de solubilité (ou LCST pour Low Critical Solubility Tempe rature) en dessous de laquelle le polymère est hydrosoluble du fait des interactions hydrogènes qui prédominent alors qu’au- dessus de la LCST, il y a séparation de phase due aux interactions hydrophobes. [42] Cette transition hydrophile- hydrophobe illustrée Figure 17, peut dépend re de la concentration en polymère. Ainsi en travaillant à concentration fixe, on parlera plutôt de température de point trouble (TPT).
Copolymères diblocs thermo- sensibles
Copolymère dibloc présentant une seule thermo-sensibilité
Les copolymères diblocs thermo- sensibles peuvent se présenter sous deux formes, un bloc thermo- sensible associé à un bloc non ther mo- sensible de nature hydrophile ou un bloc thermo- sensible associé à un bloc non ther mo- sensible hydrophobe (Figure 18). Selon le cas de figure, l’association en milieu aqueux des copolymères diffère. En effet, l’association d’un thermosensible avec un bloc hydrophile a mène à un copolymère totalement hydrop hile en dessous de la LCST et donc présent sous forme d’unimères dans l’eau, et qui au – dessus de la LCST va s’organiser sous forme micellaire (ex. PEO – b- PNIPAM [66]) du fait de l’apparition d’un bloc hydrophobe. En revanche, l’association à bloc hydrophobe conduit à un copolymère amphiphile qui s’auto- assemble sous forme de micelles en dessous de la LCST et donnera lieu à une transition micelle- agrégats lorsque l’on dépasse la LCST (Figure 18).
Modulation du comportement par l’approche de mixité
Le mélange physique de copolymères diblocs AB et BC a été développé afin d’obtenir des structures micellaires de type oignon (cœur- « shell » – couronne) à l’image des copolymères triblocs ABC. Plusieurs études ont été réalisées par l’équipe de Webber. [111] [112] Il ont démontré par exemple que des micelles à base de poly(acrylate de tert – butyle)- b- PVP ou de PS- b – PVP peuvent être stabilisées en formant des micelles mixtes avec le copolymère PVP – bPEO. En effet, ces micelles ayant une structure en oignon, le PEO qui se trouve dans la couche externe de la couronne va pouvoir stabiliser le PVP présent dans la couronne interne.
Par la suite des systèmes micellaires à couronne mixte ont été préparées à partir du mélange de copolymères diblocs AB et AC c’est- à- dire comportant un bloc hydrophobe A identique et deux blocs hydrophiles B et C de nature différente. Ainsi, en jouant sur la longueur des blocs hydrophiles, [113] ou encore sur la composition du mélange [114] il est possib le de moduler la structure des systèmes. Cette mixité dans la couronne permet d’ouvrir certains verrous et de faciliter la synthèse de systèmes pour différentes applications, dans le domaine de la vectorisation et du relargage par exemple. L’équipe de Shi a développé différents systèmes mixtes formant une couronne à canaux modulables et permettant ainsi de contrôler le relargage de molécule encapsulée. [115] [116][117] A titre d’exemple, ils se sont intéressés à l’ incorporation de copolymères thermo- sensibles au sein des micelles mixtes. Ainsi, la co micellisation de PLA- b- PEG et de PLA- b- PNIPAM permet de former des micelles au cœur PLA (poly(acide lactique)) et une couronne mixte PNIPAM/PEG via des interactions hydrophobes. Lorsque le PNIPAM collapse, des canaux de PEG se forment et vont avoir une influence directe sur la cinétique de relargage (Figure 28). Ainsi, plus la quantité de PLA- bPEGintroduit dans les micelles mixtes augmente, plus le relargage est rapide au- dessus de la LCST du PNIPAM.
Introduction du groupe ment mésylate ou tosylate
La première étape de la polymérisation consistant en une réaction nucléophile entre le monomère et l’amorceur, celui- ci doit contenir un excellent groupe partant. Dans notre étude nous avons comparée deux groupements, l e tosylate et le mésylate. Ainsi, deux lipoamorceurs ont été préparés : le lipoamorceur mésylé (LMs) dont la synthèse avait déjà été mise au point lors d’une étude précédente [9] et un nouveau lipoamorceur tosylé (LTs). L’étape qui suit la réduction de l’huile de lin est donc l’introduction d’un groupe partant mésylé [9] ou tosylé en extrémité des chaines d’alcool gras.
La réaction de mésylation (Figure 6) est réalisée par réaction du chlorure de méthanesulfonyle sur l’hydroxyl e de l’alcool gras. Une conversion totale est obtenu e au bout de 4 heures de réaction et l’étape de purification consistant en de simples la vages aqueux permet l’obtention du produit final avec un rendement de 77 %.
Polymérisation d’une gamme de 2-alkyl-2-oxazoline
Le contrôle de la polymé risation à partir de nos amorceurs originaux par voie thermique classique ayant été démontrée, nous nous sommes intéressés à la CROP assistée par micro onde dans le but de réduire la durée de polymérisation et d’améliorer le contrôle. En effet, Wiesbrock et al. ont récemment étudié la polymérisation CROP assistée par micro – onde, [20] démontrant un caractère vivant lors de la synthèse de poly(2- éthyle- 2- oxazoline), un temps de réaction considérablement réduit (de plusieurs heures à quelques mi nutes) et une faible dispersité des polymères, donc un bon contrôle. [22]
Dans un premier temps la polymérisation du MeOx amorcée par le LTs a été réalisée par CROP assistée par micro- ondes (μ- CROP) afin de comparer les résultats avec la voie thermique. Ainsi, la μ- CROP de la MeOx dans l’acétonitrile à 140 °C (Tableau 4, run 3)permet d’obtenir le copolymère L- PMeOx avec un degré de polymérisation de 43, résultatcohérent avec la voie thermique. De nouveau, l’efficacité d’amorçage a été calculée (63 %) etelle est légèrement inferieure à celle obtenue par voie thermique (71 %).
Caractérisation physico-chimique des copolymères amphiphiles thermo-sensibles en milieu aqueux
Le comportement physico- chimique des copolymères synthétisés précédemment ains i que l’influence de la température sur celui – ci ont été étudié s dans l’eau . Le caractère amphiphile de ces copolymères apporté par la coexistence de la chaine lipidique et du bloc poly(oxazoline) permet l eur auto- association dans l’eau sous forme d’un cœu r hydrophobe et d’une couronne hydrophile. Les propriétés thermo- sensibles de cette couronne vont être étudiées dans cette partie ainsi que la nature des agrégats obtenus.
Caractérisation des copolymères L-PEtOx (4) et L-PiPrOx (5)
La caractérisation des copolymères amphiphiles L- PiPrOx 5 et L- PEtOx 4 a dans un premier temps été effectuée par fluorescence par sonde pyrène. Cette technique couramment utilisée pour déterminer la concentration d’agrégation critique (cac) de systèmes macromoléculaires utilise une molécule hydrophobe fluorescente, ici le pyrène. Le pyrène possède une solubilité dans l’eau très faible (10 -7 mol/L) et est sensible à son environnement. [25], [26] En fonction de la polarité du milieu dans lequel il se trouve, son spectre defluorescence change. Ainsi, grâce au spectre d’excitation (λexcitation = 330 – 360 nm, λémission = 374 nm), il est possible de suivre le transf ert de la molécule de pyrène d’un milieu polaire à apolaire via le déplacement du maximum du pic de 333 à 338 nm . Dans un milieu polaire tel que l’eau, le rapport d’ intensité du pyrène à ces longueurs d’ondes (I 338 /I 333 ) est d’environ 1,8 (1,1 dans l’éthanol), ce rapport diminue à une valeur inférieure à 1 dans le cas d’un solvant apolaire. Pour une solution de copolymère amphiphile, le rapport I 338 /I 333 en fonction de la concentration permet de déterminer si le pyrène est dans un milieu hydrophile (l’eau) ou hydrophobe (cœur des micelles, des agrégats…). En étudiant le spectre d’excitation du pyrène sur toute une gamme de concentration en copolymère, il est donc possible de déterminer la cac. L’un des objectifs de ce travail étant l’étude de la formation de micelles mixtes avecd’autres natures de polymères hydrophiles (dont les polyelectrolytes), l’ensemble des caractérisations physico- chimiques a été effectué s en présences de sel (0,1 M NaCl), introduit pour écranter d’éventuelles charges. Pour chacun des copolymères, l es cac, déterminées à l’intersection des deux droites (Figure 19) sont faibles : 29 mg/L (8,3 x 10 -6 mol/L) pour le LPi PrOx et 17 mg/L (3,10 x 10 -6 mol/L) pour le L- PEtOx. Ces valeurs sont cohérentes avec la littérature qui indique des cac de 10 -4 et 10 -6 mol/L pour les copolymères amphiphilestriglycérol – b- poly(MeOx) [27] et lipide- b- poly(i PrOx) [9] respectivement.
Synthèse de copolymère lipide-b-poly(méthacrylate de diméthyle(aminoethyle))
Les différentes techniques de polymérisation radicalaire contrôlée permettent la synthèse de polymères d’architectures bien définies, de masses molaires prédictibles et de dispersités très faibles. Le caractère vivant de ce type de polymérisation permet le réamorçage du polymère s ynthétisé dû à la quasi – absence de réactions de terminaison irréversibles. De plus, à la différence de la polymérisation vivante ionique qui limite le choix des réactifs et impose notamment une grande pureté des monomères et des solvants utilisés, la polymérisation radicalaire vivante contrôlée (PRVC) rend possible la synthèse de polymères d’architectures contrôlées dans des conditions plus simples. [6] Parmi les techniques de PRVC, l’ATRP (pour Atom – Transfert Radical Polymerization) permet le contrôle de la masse molaire et l’obtention de faibles dispersités (environ 1,1- 1,3).
Polymérisation par ATRP
Le mécanisme de la polymérisation par ATRP repose sur l’équilibre dynamique entre une espèce désactivée et activée gouvernée par la réduction/oxydation d’un complexe métallique Mt n X/Lig (Lig pour ligand) (Figure 1 ). L’équilibre assure une faible populationd’espèces propageante s et donc diminue les réactions de terminaison indésirables.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : Etude bibliographique
Introduction
I. Auto-assemblage de molécules amphiphiles
1. Généralités sur les micelles
2. Des micelles de TA aux micelles macromoléculaires
II. Auto assemblage de copolymères « intelligents »
1. pH- sensible
1.1. Polyacide
1.2. Polybase
1.3. Exemples de systèmes micellaires pH- sensibles
1.4. Modulation des propriétés pH- sensible
1.5. Conclusion
2. Thermo sensible
2.1. Introduction au comportement thermo- sensible
2.2. Copolymères diblocs thermo- sensibles
2.2.1 Copolymère dibloc présentant une seule thermo- sensibilité
2.2.2 Copolymères dibloc comportant deux blocs thermo- sensible
2.2.2.a. Copolymères avec différentes LCST
2.2.2.b. Copolymères avec une LCST et une UCST (copolymères thermosensibles schizophrènes)
3. Double stimuli pH et thermo- sensibles
3.1. Introduction
3.2. Homopolymères pH et thermo- sensibles
3.3. Copolymères à blocs
4. Conclusion
III. Etat de l’art sur le mélange physique de copolymè res diblocs
1. Travaux préliminaires sur le mélange physique de copolymères diblocs
2. Modulation du comportement par l’approche de mixité
3. Vers des systèmes mixtes pH et thermo- sensibles
4. Conclusion
Conclusion
Références
CHAPITRE II : Synthèses et caractérisations de Lipide -b- poly(oxazoline)s
Introduction
I. Présentation de la famille des poly(oxazoline)s
II. Synthèse par CROP de polyoxazoline
1. Synthèse des lipoamorceurs
2. Synthèse des copolymères lipide- b- poly(oxazoline)
2.1. Comparaison de l’efficacité des deux amorceurs lipidiques
2.2. Polymérisation d’une gamme de 2- alkyl – 2- oxazoline
2.3. Copolymérisation de l’EtOx et de l’iPrOx
III. Caractérisation physico -chimique des copolymères amphiphiles thermo-sensibles en
milieu aque ux
1. Caractérisation des copolymères L-PEtOx (4) et L-P iPrOx (5)
2. Caractérisation des copolymères L- P(EtOx x – co- iPrOx y )
Conclusion
Références
CHAPITRE III : Synthèses et caracté risations de lipide – b – poly(méthacrylate de diméthyle(aminoéthyle))
Introduction
I. Synthèse de copolymè re lipide -b – poly(méthacrylate de diméthyle(aminoethyle))
1. Polymérisation par ATRP
1.1. Synthèse du lipoamorceur pour la polymérisation par ATRP
1.2. Synthèse par ATRP du lipide- b- poly(méthacrylate de diméthyle(aminoethyle))
2. Polymérisation par RAFT
2.1. Introduction de la technique de polymérisation par RAFT
2.2. Synthèse du LCTA pour la polymérisation par RAFT
2.3. Optimisation des conditions de polymérisation par RAFT du méthacrylate de diméthyle (aminoéthyle)
2.4. Synthèse de copolymères amphiphiles lipide- b- poly(méthacrylate de diméthyle(aminoéthyle))
2.4.1. Etude cinétique de la polymérisation à partir du LCTA
2.4.2. Synthèses de différents copolymères amphiphiles
II. Caractérisation physico -chimique des copolymères amphiphiles en milieu aqueux
1. Etude du comportement pH- sensible
1.1. Influence de la longueur de la chaine hydrophile
1.2. Etude des propriétés tensio- actives
1.3. Détermination de la nature des systèmes auto- associés en solution
2. Etude du comportement thermo- sensible en fonction du pH
Conclusion
Références
CHAPITRE IV : Etudes de mélanges physiques de copolymè res diblocs amphiphiles
Introduction
I. Etude de systèmes mixtes poly(oxazoline)s
1. Mélanges physiques de copolymères thermo- sensibles
1.1. Etude de la température de point de trouble
1.2. Etude du phénomène à deux transitions pour le mélange 79/2
1.3. Comparaison des micelles mixtes et des copolymères L- P(EtOx x – co- iPrOx y )
1.4. Conclusion
2. Mélanges physiques de poly(oxazoline)s thermo- sensible et hydrophile
II. Etude de systèmes mixtes composés de chaines de natures différentes : L PDMAEMA et L- Pi PrOx
Conclusion
Références
CHAPITRE V : Etude de l’encapsulation et de relargage de molécules hydrophobes
Introduction
I. L’encapsulation de molécule dans les systèmes micellaires
II. Etude de l’encapsulation et du relargage de la VK1 par le système pH-sensible LPAA
1. Capacité d’encapsulation du système
2. Etude du relargage
2.1. Protocole
2.2. Cinétique de relargage en fonction du pH
III. Etude de l’encapsulation et du relargage de la VK1 par le système thermo -sensible
L- Pi PrOx
1. Capacité d’encapsulation du système
2. Cinétique de relargage en fonction de la température
IV. Etude de l’encapsulation et du relargage de la VK1 par le système double stimuli LPDMAEMA
1. Capacité d’encapsulation
2. Cinétique de relargage en fonction du pH et de la température
V. Etude de l’encapsulation et du relargage de la progestérone par le système LPDMAEMA
1. Capacité d’encapsulation
2. Cinétique de relargage
Conclusion
Références
CONCLUSION GENERALE
Partie expérimentale
