Soutenance mémoire
Degré de polymérisation
Il est difficile de donner précisément l’influence du degré de polymérisation ou de la masse molaire du polymère sur sa température de point de trouble. En effet, les articles à ce sujet se contredisent, certains affirmant que, pour une même famille de polymères, la TPT augmente avec la masse molaire, d’autres qu’elle diminue avec la masse molaire, ou encore qu’elle n’a aucun effet . En réalité, la voie de synthèse du polymère a une grande influence sur sa TPT car elle peut en modifier la nature de ses extrémités, sa tacticité ou encore sa dispersité, et tous ces facteurs ne font pas varier la TPT de la même façon si le polymère est de petite ou grande masse molaire. García-Peñas et al. ont étudié l’influence du degré de polymérisation d’homopolymères PNIPAAm sur sa température de point de trouble. Ils montrent que la TPT diminue en augmentant la masse molaire, et justifient cela grâce à la théorie de Flory-Huggins
avec une augmentation des interactions polymère-solvant entrainant une TPT plus élevée pour
les polymères de plus faible masse molaire.
Nature du groupement latéral (motif de répétition)
La nature du groupement pendant du motif de répétition a également un impact nonnégligeable sur le comportement en température du polymère. Ce groupe pe ndant peut êtrede nature diverse : un hydrogène, une chaîne alkyle plus ou moins longue, linéaire ou branchée, avec la présence éventuelle d’hétéroatome(s). La nature chimique de ce groupement a un impact sur la balance hydrophile/hydrophobe ainsi que sur la mobilité de la chaîne de polymère. Plus il est capable de créer des liaisons hydrogène avec l’eau, meilleure est la solubilité du polymère, donc plus sa TPT augmente. Le Tableau 2 illustre cela avec quelques exemples d’isomères structuraux du PNIPAAm, et montre l’influence de la nature et de la longueur du groupement latéral sur la TPT. Ce tableau ne donne d’ailleurs pas de valeurs précises de températures de point de trouble (mais une plage de valeurs), d’une part car celleci peut dépendre de la taille du polymère, de la nature de ses extrémités et parfois de sa concentration en solution, et d’autre part car les articles sélectionnés ne mentionnent pas toujours le degré de polymérisation du polymère étudié.
Auto-organisation des copolymères amphiphiles thermosensibles
Copolymères amphiphiles possédant un seul bloc thermo-sensible
Le comportement des copolymères diblocs contenant un seul bloc thermosensible diffère en fonction de la nature du second bloc introduit, et permet la formation de micelles dont soit la couronne, soit le cœur est thermosensible (Figure 10). Si le copolymère est constitué d’un bloc hydrophile thermosensible et d’un bloc hydrophobe classique, il y a formation, en dessous de la température de point de trouble du bloc hydrophile, de micelles possédant une couronne thermosensible. Lorsque la TPT est atteinte puis dépassée, le polymère dans la couronne perd sa solubilité et se replie sur lui-même, provoquant l’agrégation du système , comme décrit précédemment (cf. I.2.1.1.). Il existe un grand nombre de possibilités quant à la nature des blocs, la couronne hydrophile pouvant être composée de tout polymère thermosensible, les plus courants décrits dans ce cas étant les poly(acrylamide)s et poly(méthacrylate)s.
Copolymères à blocs amphiphiles comportant deux thermosensibilités
Il est tout à fait possible de créer des copolymères amphiphiles composés de plusieurs polymères thermosensibles.
Généralement, les deux blocs constitutifs du copolymère s’agrègent à la température de point de trouble de leur homopolymère respectif.
De nombreuses études mettent en évidence la présence de deux transitions de phase distinctes, et parlent notamment de transition hydrophile-amphiphile-hydrophobe. Jochum et al. ont étudié le dibloc POEGMA-b-PNIPMAM et ont montré par différentes techniques (RMN, DSC, turbidimétrie) l’apparition avec la température de deux points de trouble correspondant à ceux des homopolymères seuls. Sous la T PT des deux blocs (< 40 °C), le copolymère est hydrophile et parfaitement soluble dans l’eau. Lorsque la T PT du PNIPMAM est atteinte (43,5 °C en DSC), celui-ci s’agrège et permet la formation de micelles avec le PNIPMAM dans son cœur et le POEGMA dans sa couronne, ce qui résulte du caractère amphiphile du copolymère à cette température. Les mesures en diffusion de lumière permettent d’ailleurs de corroborer la nature des objets obtenus. Le système est alors stablejusqu’à la TPT du POEGMA (59,5 °C), à laquelle le copolymère devient totalement hydrophobe et précipite.
Conclusion
La synthèse de copolymères amphiphiles permet d’obtenir des systèmes organisés qui miment le comportement des molécules de tensioactifs classiques, mais avec de meilleures propriétés de stabilité.
La structure des copolymères à blocs doit être maitrisée pour obtenir des objets nanométriques aux caractéristiques (taille, fonctionnalités) spécifiques de l’application visée.
Généralement, les auteurs cherchant à moduler les propriétés de leurs systèmes micellaires choisissent de synthétiser des copolymères triblocs adoptant un comportement intermédiaire à ceux des homopolymères constitutifs de chacun des blocs.
Cependant, l’obtention de nouvelles propriétés requiert systématiquement de nouveaux copolymères, et donc de nouvelles synthèses pour y parvenir, avec parfois une déviation entre la composition visée et celle obtenue, nécessitant donc une adaptation de la synthèse pour chaque copolymère.
Ainsi, afin de contourner la voie classique de synthèse et donc de se soustraire à toutes les contraintes qu’elle implique (temps, difficultés de synthèse), une voie plus récente consiste à mélanger physiquement deux copolymères de nature, architecture, composition et/ou fonctionnalités différentes dans le but de combiner leurs caractéristiques respectives.
Modulation du comportement de systèmes micellaires par une approche formulatoire
L’approche formulatoire consiste à mélanger physiquement des copolymères amphiphiles, soit à l’état solide, soit déjà en solution, l’objectif de ces mélanges étant alors d’ob tenir des micelles mixtes (Figure 13)
Le Transfert d’Énergie entre molécules fluorescentes (FRET), une technique applicable à la caractérisation de systèmes micellaires mixtes ?
Pour vérifier la formation des micelles mixtes, de nombreuses méthodes sont citées dans la littérature (ultracentrifugation analytique/RMN 1 H, DLS, SEC, 2D NOE, TEM, ITC). La plupart d’entre elles n’étant pas spécifiques à la nature des interactions existant dans la micelle mixte, elles peuvent être employées dans presque tous les cas . Cependant, certaines de ces techniques sont complexes et coûteuses, et nécessitent un équipement et des compétences techniques qui ne sont pas toujours accessibles. De plus, ces techniques démontrent la mixité de manière indirecte en analysant les différences de caractéristiques entre micelles pures et micelles mixtes. Par conséquent, en présence de copolymères se comportant de manière similaire ou proche en solution, l’utilisation de la fluorescence pourrait être un atout supplémentaire pour l’analyse de ces systèmes et en particulier pour montrer la formation demicelles mixtes.
La fluorescence est une technique largement utilisée dans de nombreux domaines tels qu e l’analyse (air et polluants), la criminologie, les modifications de surfaces, les solutions colloïdales (cmc, dynamique, …), les biotechnologies, le diagnostic médical, le séquençage d’ADN et les analyses génétiques. Elle a l’avantage d’être très sensible, d’être spécifique à l’environnement dans lequel se trouve la molécule fluorescente, et elle est capable de fournir des informations spatio-temporelles. Elle peut ainsi remplacer les traceurs radioactifs coûteux
et plus difficiles d’utilisation, ainsi que les sondes EPR (Electronic Paramagnetic Resonance)qui ne renseignent que sur la mobilité moléculaire.
Généralités sur la fluorescence
La fluorescence est un phénomène qui fait partie de la famille des processus luminescents, dans laquelle une substance absorbe de la lumière, ce qui entraine le déplacement d’un électron vers un niveau orbital d’énergie plus élevée. Après un temps de résidence sur cet état excité (noté *), correspondant à la durée de vie de fluorescence, l’électron revient sur son niveau orbital initial en dissipant son énergie par émission d’un photon (Figure 22).
Exemples d’applications du FRET
Le FRET présente un intérêt particulier pour la caractérisation de systèmes biologiques. Son application principale est de fournir des informations spatiales et en particulier les distances entre deux molécules fluorescentes, à haute résolution, ce qui peut être obtenu par des techniques de microscopie conventionnelle. C’est ce qui qualifie le FRET de « Règle spectroscopique ».
Conclusion
Les techniques de fluorescence sont très utilisées pour l’étude et la compréhension du comportement des systèmes biologiques et autres systèmes polymériques.
Le FRET est capable d’apporter des informations spatiales en temps réel, souvent combiné à de l’imagerie, ce qui fait de lui une méthode très intéressante pour évaluer l’impact de l’environnement (T, pH, enzyme,…) et des interactions sur les micelles formées, et leurs propriétés d’encapsulation et de relargage.
Enfin, l’importance de la proximité spatiale des deux fluorophores utilisés lui permet également d’être une excellente sonde pour détecter la formation de micelles mixtes de manière directe, sans avoir à regarder les propriétés intrinsèques des systèmes mixtes, qui sont en général dues à une modulation des caractéristiques de chacun des systèmes purs.
Conclusion
Cet état de l’art a permis de montrer la possibilité de mimer le comportement des systèmes biologiques grâce au développement de copolymères amphiphiles capables de s’autoorganiser en milieu aqueux, sous forme d’objets nanométriques de conformations différentes en fonction de paramètres tels que leur concentration, leur taille, ou encore leur équilibrehydrophile/hydrophobe.
L’utilisation de polymères stimulables, c’est-à-dire répondant à un stimulus interne ou externe, de nature physique, chimique ou biologique (T, pH, redox,etc.) a permis le développement des systèmes micellaires dont la stabilité peut être finement ajustée. La combinaison de plusieurs stimuli a même été réalisée dans de nombreux travaux de recherche, et ce afin d’affiner le contrôle que l’on a de ces systèmes.
La quantité phénoménale d’articles traitant de la synthèse de copolymères amphiphiles di- et triblocs est une conséquence de la nécessité de synthétiser systématiquement de nouveaux copolymères avec des compositions chimiques ajustées pour modifier le comportement dessystèmes micellaires associés.
Plus récemment, de nombreux auteurs ont donc choisi de travailler sur des mélanges physiques de copolymères, répondants ou non à un ou plusieurs stimuli, et capables de s’autoassembler sous forme de micelles mixtes pour combiner les propriétés de l’un et l’autre des copolymères.
Nous avons choisi de nous intéresser à des copolymères combinant deux thermosensibilités différentes, pour essayer de moduler la température critique globale du système.
Afin de démontrer la mixité de ces objets, les études se réfèrent souvent à leurs caractéristiques intrinsèques, intermédiaires à celles des deux composants, et évoluant en fonction des proportions relatives introduites. Ainsi, une méthode de fluorescence très utilisée pour de nombreuses applications du domaine biologique, le Transfert d’Energie entre Molécules Fluorescentes (FRET), mais très peu employée pour prouver la mixité des systèmes, va être envisagée dans ce projet pour répondre à cette question de man ière directe et innovante.
Etude en diffusion de la lumière
Afin de compléter l’étude des propriétés macroscopiques obtenues lors du mélange physique des deux copolymères LPOx, des mesures en diffusion de lumière ont été réalisées sur les mélanges physiques LPiPrOx 1c/LPEtOx 2c (issus des solutions préparées par dissolution directe) pour déterminer leurs caractéristiques.
Des mélanges physiques LPiPrOx/LPEtOx ont été préparés à une concentration totale de copolymère constante (1 g/L). Les solutions ont été préparées, filtrées (0,45 µm) et analysées immédiatement à T = 20 °C.
Etude en micro-DSC
L’appareil de micro-DSC (ou microcalorimétrie haute pression) permet d’observer des phénomènes endothermiques et exothermiques par mesure des échanges de chaleur, comme une DSC classique. En revanche, elle a l’avantage de pouvoir analyser de manière très sensible de faibles volumes de solutions pour des températures allant de -45 °C à 120 °C.
La transition macroscopique observée en UV-visible lors de l’augmentation de la température a été également étudiée en micro-DSC (Microcalorimétrie à balayage) avec une vitesse de chauffe de 0,5 °C/min identique à celle utilisée en UV-visible.
Des solutions de LP(iPrOx)28 1c (TPT,1 g/L = 38 °C) à 10 g/L et LP(EtOx)26 2c (TPT,1g/L = 72 °C) à 30 g/L ont été analysées dans l’eau distillée. Les mesures en spectrophotométrie UV-visible étant faites dans le PBS, les valeurs de point de trouble obtenues avec l’une et l’autre des techniques peuvent être légèrement différentes. De plus, la micro-DSC caractérise le phénomène au niveau microscopique alors que l’UV-visible le caractérise au niveau macroscopique, et donc se produisant généralement avec un léger retard.
Les thermogrammes obtenus pour les deux copolymères sont représentés en Figure 14.
Etude de la deuxième transition par réticulation du cœur des micelles
Afin d’améliorer la compréhension du comportement des micelles LPiPrOx/LPEtOx à haute proportion en LPEtOx, et d’écarter définitivement l’hypothèse d’une hétérogénéité de départ dans la composition du mélange, il a été envisagé de réticuler chimiquement le cœur des micelles pour bloquer les échanges unimères-micelles se produisant constamment en solution.
Le cœur des micelles est constitué de chaines lipidiques insaturées. Un dithiol, encapsulé dans le cœur des micelles, peut donc lier les chaines polymères entre elles par réaction thiol -ène entre les fonctions -SH du dithiol et les insaturations des chaines lipidiques présentes dans le cœur. Cette réaction a été réalisée dans l’équipe il y a quelques années, et a permis de réticuler des micelles mixtes lipide-b-poly(2-isopropyl-2-oxazoline)/lipide-b-poly(acide acrylique) en présence d’un équivalent d’éthylène glycol dithioacétate (EGBMA) par insaturation de la chaîne lipidique, par irradiation pendant 30 minutes avec une lampe Hg-Xe (Hamamatsu, LCL8) qui émet un rayonnement d’intensité 170 mW.cm -2 à 365 nm 6. Cettelampe émet également dans le domaine IR ce qui a pour conséquence d’échauffer la solution.
La problématique majeure pour adapter cette approche sur le système LPiPrOx/LPEtOx est la mise en place d’un protocole adéquat pour éviter de trop chauffer la solution aqueuse lors de l’irradiation, car la TPT du LPiPrOx est très basse. Ainsi, un échauffement trop important ferait précipiter le LPiPrOx, entraînant la réticulation d’agrégats non représentatifs du mélange initial. Plusieurs protocoles ont été testés en présence d’un équivalent d’éthylène glycol dithioacétate par chaîne de copolymère. Le nombre moyen d’insaturations par chaine étant de 2, cela revient à un ratio thiol/insaturation de 1. La structure de l’EGBMA est donnée sur la Figure 20 ci-dessous.
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Table des matières
Chapitre I – Etude bibliographique
Introduction
I. Auto-organisation et désorganisation des copolymères amphiphiles en milieux aqueux
I.1. Généralités sur l’auto-assemblage de molécules amphiphiles
I.1.1. Auto-organisation des tensioactifs « classiques »
I.1.2. Auto-organisation des copolymères amphiphiles
I.2. Introduction aux copolymères amphiphiles « stimulables »
I.2.1. Généralités sur la température comme stimulus
I.2.1.1. Les comportements à UCST/LCST
I.2.1.2. Paramètres structuraux influant sur la température de point de trouble
I.2.2. Auto-organisation des copolymères amphiphiles thermosensibles
I.2.2.1. Copolymères amphiphiles possédant un seul bloc thermo-sensible
I.2.2.2. Copolymères à blocs amphiphiles comportant deux thermosensibilités
I.3. Conclusion
II. Modulation du comportement de systèmes micellaires par une a pproche formulatoire
II.1. Optimisation des caractéristiques structurelles du système mixte
II.2. Impact du mélange physique sur la température de point de trouble
II.3. Conclusion
III. Le Transfert d’Énergie entre molécules fluorescentes (FRET), une technique applicable à la caractérisation de systèmes micellaires mixtes ?
III.1. Généralités sur la fluorescence
III.2. Le FRET : Principe et applications aux systèmes polymériques
III.2.1. Principe et conditions d’utilisation
III.2.2. Exemples d’applications du FRET
III.2.3. Utilisation du FRET pour montrer la mixité de systèmes micellaires
III.3. Conclusion
Conclusion
Références
Chapitre II – Caractérisation des copolymères lipide-b-poly(2-alkyl-2-oxazoline) et de leurs mélanges physiques
Introduction
I. Caractérisations physico-chimiques des copolymères LPiPrOx et LPEtOx
I.1. Présentation des polymères étudiés
I.2. Comportement des copolymères avec la température
I.2.1. Mesure en turbidimétrie de la température de point de trouble
I.3. Caractérisation des objets micellaires en solution par diffusion de la lumière
I.3.1. Détermination du dn/dc des polymères
I.3.2. Mesures de la taille et du nombre d’agrégation
II. Mélanges physiques LPiPrOx/LPEtOx
II.1. Etude des propriétés macroscopiques en spectrophotométrie UV -visible
II.2. Etude en diffusion de la lumière
II.3. Etude en micro-DSC
II.4. Etude de la deuxième transition par réticulation du cœur des micelles
Conclusion
Références
Chapitre III – Etude de mélanges de copolymères de nature et/ou architecture différentes
Introduction
I. Etude de mélanges physiques des copolymères LP(iPrOx)n et C18-b-PEO
I.1. Description des copolymères commerciaux Brij®
I.2. Mélanges physiques de copolymères linéaires LP(iPrOx)28/C18-b-PEO19
I.2.1. Comportement macroscopique du mélange
I.2.2. Etude de la variation du point de trouble au niveau moléculaire
I.3. Influence de la longueur du bloc PEO
II. Etude de mélanges physiques des copolymères LP(iPrOx)28 et lipide-bpoly(oligo(éthylène glycol)méthacrylate de méthyle)
II.1. Synthèse du lipide-b-poly(oligo(éthylène glycol)méthacrylate de méthyle)
II.1.1. Généralités sur la polymérisation par ATRP
II.1.2. Synthèse du lipoamorceur
II.1.3. Synthèse par ATRP du lipide-b-poly(oligo(éthylène glycol)méthacrylate de méthyle)
II.2. Caractérisations physico-chimiques des copolymères LPOEGMA
II.2.1. Détermination de la concentration micellaire critique
II.2.2. Détermination de la température de point de trouble
II.2.3. Caractérisation des objets formés en diffusion de la lumière
II.2.3.1. Auto-organisation en solution aqueuse à température ambiante
II.2.3.2. Comportement en température du LPOEGMA en solution aqueuse
II.3. Etude de mélanges physiques LPiPrOx/LPOEGMA
II.3.1. Evolution de la température de point de trouble
II.3.2. Mesures en diffusion de lumière
II.3.3. Conclusion
Conclusion
Références
Chapitre IV – Elaboration d’une technique de caractérisation directe des micelles mixtes par FRET
Introduction .
I. Synthèse et caractérisations des fluorophores
I.1. Synthèse des fluorophores
I.1.1. Synthèse du Naphtyle
I.1.2. Synthèse de la Coumarine
I.2. Caractérisations et complémentarité des couples de fluorophores
I.2.1. Couple Coumarine/Naphtyle
I.2.2. Couple Coumarine/BODIPY
I.2.3. Coumarine commerciale/Coumarine synthétisée
I.3. Conclusion
II. Greffage des fluorophores sur les copolymères amphiphiles par réaction thiol-ène
II.1. Réaction thiol-ène par voie photochimique
II.2. Réaction thiol-ène radicalaire en thermique sur le lipoamorceur de CROP
II.3. Réaction thiol-ène de type « Thiol-Michael » sur le lipoamorceur de CROP
II.4. Conclusion
Conclusion
Références
Conclusion générale
Partie expérimentale
Annexes
