SYNTHESE DE COPOLYMERES AMPHIPHILES STIMULABLES 

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

EMULSIONS MULTIPLES EN UNE ETAPE D’EMULSIFICATION

Hanson et al.109 furent les premiers à montrer qu’il était possible de préparer des émulsions multiples E/H/E stables, grâce à un procédé d’émulsification en une seule étape et à un seul stabilisant. Leurs émulsions biocompatibles, à base d’eau et d’huile de silicone, sont stabilisées par un copolypeptide synthétique composé d’un bloc hydrophile de poly(Llysine) et d’un bloc hydrophobe de poly(rac-leucine). Grâce à un procédé d’homogénéisation à haute pression, ils ont réussi à obtenir des émulsions doubles dont la taille des gouttes était inférieure à 100 nm. Ces nano-émulsions sont toujours stables neuf mois après leur préparation. Les auteurs ont justifié cette stabilité par la présence de liaisons hydrogène entre les blocs hydrophobes au niveau de l’interface eau – huile des gouttes internes. Ces liaisons hydrogène renforcent la stabilité de l’interface et bloquent le phénomène de coalescence gouttelette – globule. Cependant, la raison de la formation de ces émulsions multiples est toujours inconnue. Dans la suite de ces travaux, la même famille de polymères a été utilisée pour stabiliser des émulsions biocompatibles E/H/E en présence de sel. L’effet de différents sels a été étudié et les auteurs ont montré qu’un changement de valence de l’anion, en particulier le passage d’un anion monovalent à des anions divalents ou trivalents, pouvait modifier la morphologie de l’émulsion multiple obtenue. Par exemple, pour leur système, le nombre de gouttes internes par globule d’huile augmente avec la valence de l’anion93.
Hong et al.110 ont également mis en évidence la possibilité de préparer des émulsions E/H/E stables en une étape avec un seul émulsifiant. Ils ont utilisé un copolymère constitué d’un bloc de polystyrène (PS) et d’un bloc de poly(éthylène glycol) (PEG) pour stabiliser des émulsions eau – toluène. Par variation de la fraction volumique en toluène, ils ont obtenu des émulsions multiples stables sur une large gamme de ratios eau – huile (entre 0,4 et 4). Les auteurs justifient la stabilité à long terme de leurs émulsions par le fait qu’aucune micelle inverse ne peut être formée dans le toluène, étant donné que le polymère y est soluble. Selon les auteurs, ceci évite la rupture de la membrane d’huile et donc la coalescence entre les gouttes. Par la suite, la taille des blocs des copolymères polystyrène-b-poly(éthylène glycol) a été variée et il a été montré qu’un polymère trop hydrophobe ne permettait plus la formation d’émulsions E/H/E92. De même, un copolymère trop hydrophile ne stabilisera que des émulsions directes quel que soit le ratio eau – huile. La composition du copolymère influence donc aussi la stabilité, voire même l’existence, des émulsions multiples formées.
Besnard et al.76,94,111 ont mis au point un système permettant la formulation d’émulsions multiples stimulables obtenues en une seule étape d’émulsification. Ces émulsions sont stabilisées par des copolymères de type PS-b-P(S-st-DMAEMA) sensibles au pH à la force ionique et à la température. Dans ces travaux, la variation du pH à force ionique nulle et à température ambiante a permis la formation d’émulsions E/H/E stables sur des temps longs. Ces résultats seront plus largement détaillés par la suite.
Chen et al.95 ont quant à eux développé un système permettant la stabilisation d’émulsions eau – toluène stables grâce à des polymères en étoile constitués de poly(méthacrylate de diméthylamino éthyle) (PDMAEMA). Ce système permet entre autre la formulation d’émulsions E/H/E à fort taux d’encapsulation. De par leur choix d’émulsifiant, ces émulsions sont de plus pH-stimulables. Des émulsions directes sont obtenues pour des pH inférieurs à 7. Au contraire, des émulsions inverses sont formées pour des pH supérieurs à 9. Enfin, des émulsions multiples, E/H/E tout d’abord, puis H/E/H quand le pH augmente, sont stabilisées sur la gamme de pH comprise entre 7 et 9. C’est selon eux l’architecture particulière de leur émulsifiant qui garantit la bonne stabilisation des émulsions multiples formées. En effet, les chaînes linéaires de PDMAEMA ne permettent pas la stabilisation d’émulsions multiples.
Enfin, Tu et al.16 ont montré qu’il était possible de former des émulsions multiples stables de type Pickering par inversion de phase transitionnelle et catastrophique. Les auteurs établissent un diagramme bidimensionnel indiquant le type d’émulsion formé en fonction du pH et du ratio eau – huile. Leurs émulsions eau – toluène sont stabilisées par des particules de type Janus constituées de styrène et d’acide acrylique. De par leur nature Pickering, les émulsions multiples formées sont très stables. Cependant, les particules Janus utilisées pour former l’émulsion sont sensibles au pH et les émulsions E/H/E formées peuvent être déstabilisées en émulsions directes de façon dynamique par une diminution du pH de la phase aqueuse externe. Le taux d’encapsulation d’eau de ces émulsions multiples est estimé entre 5 et 10 % du volume de la phase aqueuse.

LA POLYMERISATION RADICALAIRE

La polymérisation radicalaire représente une grande partie de l’activité de synthèse industrielle des polymères. C’est une technique de choix de par sa facilité de mise en œuvre, son faible coût de production, la diversité des monomères polymérisables et la possibilité de la réaliser selon différents procédés : en masse, en solution, en suspension ou en émulsion.
La polymérisation radicalaire fait partie des procédés de polymérisation dits « en chaîne » : les polymères sont obtenus par additions successives d’unités monomères sur les chaînes en croissance, porteuses d’un radical libre. Afin de pouvoir être polymérisés par cette voie, les monomères doivent donc présenter une insaturation. Le mécanisme mis en jeu lors d’une polymérisation radicalaire se divise en trois étapes principales :
o L’amorçage, qui décrit la décomposition de l’amorceur en un élément porteur d’un radical libre,
o La propagation, au cours de laquelle la chaîne en croissance additionne une à une les unité monomères,
o La terminaison, qui correspond à la désactivation des centres actifs par recombinaison ou dismutation.
En polymérisation radicalaire, l’étape d’amorçage est lente et la propagation très rapide. Les chaînes de polymère formées présentent dans la plupart des cas une dispersité Ð supérieure à 1,5 et une masse molaire difficilement contrôlable1.

LA POLYMERISATION RADICALAIRE CONTROLEE

Dans les années 1990, la polymérisation radicalaire contrôlée (PRC) a permis de répondre aux problèmes rencontrés en polymérisation radicalaire classique. En effet, par définition, une polymérisation est dite contrôlée si elle permet la synthèse de polymères bien définis (masse molaire, fonctionnalité des bouts de chaîne) et de faible dispersité2.
Le principe de la PRC est de limiter les réactions de terminaison tout en assurant un amorçage rapide des chaînes en croissance3. Pour cela, la totalité des chaînes est initiée en un laps de temps très court, puis un médiateur radicalaire réagit avec les radicaux libres, conduisant à leur désactivation réversible. Lors de la polymérisation, les chaînes en croissance sont donc majoritairement sous une forme protégée, dite dormante. La vitesse de terminaison devient alors négligeable devant la vitesse de propagation, elle-même très faible par rapport celle d’une polymérisation radicalaire classique.
Les réactions mises en jeu dans une PRC sont représentées schématiquement sur la FIGURE II-1. Sur cette figure, kp, kt, kdes et kact désignent respectivement les constantes de propagation, terminaison, désactivation et activation de la chaîne en croissance. M, Pn● et X symbolisent quant à eux le monomère, la chaîne en croissance et le médiateur radicalaire.
Pour que la polymérisation soit contrôlée, l’équilibre entre les chaînes actives et dormantes doit être fortement déplacé vers la formation de l’espèce dormante (kdes >> kact). D’autre part, cet équilibre doit être plus rapide que la vitesse de propagation des chaînes en croissance (kp >> kact). Alors, toutes les chaînes ont la même probabilité d’additionner du monomère3.
Si tous ces critères sont respectés, la masse molaire croît linéairement avec la conversion en monomère et la cinétique de consommation du monomère est d’ordre un. Soit [M]0 la concentration initiale en monomère et [M] la concentration en monomère restant dans le milieu réactionnel à l’instant t, alors lors d’une polymérisation radicalaire contrôlée, ln([M]0⁄[M]) augmente de façon linéaire avec le temps.
Il est ainsi possible d’obtenir des polymères de masse molaire bien définie en ajustant la concentration initiale en monomère et en amorceur dans le milieu réactionnel. De plus, les réactions de terminaison et de transfert étant limitées, les polymères synthétisés en PRC présentent une dispersité faible.
Il existe trois grands types de PRC :
o Le transfert par addition – fragmentation réversible (RAFT) pour lequel le contrôle des chaînes actives est assuré par l’échange réversible d’un groupe dithiocarboxylate,
o La polymérisation à médiation nitroxyde (NMP) qui utilise un mécanisme de dissociation – combinaison d’un radical stable avec les chaînes en croissance,
o La polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP) pour laquelle le contrôle de la polymérisation est assuré par un métal de transition. Ce dernier type de PRC est celui que nous avons utilisé pour la synthèse des copolymères à blocs et sera détaillé au paragraphe II-1.3. M, kpPPn+m, Pn, Pm nXPm, ktPn●X, kde k
Un système standard d’ATRP est constitué d’un monomère, d’un amorceur de type halogénure d’alkyle (R-X ; X = Br ou Cl) et d’un métal de transition complexé par un ligand jouant le rôle de catalyseur (Mtn-Ligandx ; Mtn = Ti, Mo, Fe, Ru, Os, Rh, Co, Ni, Pd, Cu)3–6. Les catalyseurs à base de cuivre sont les plus couramment utilisés7,8.
Le mécanisme de l’ATRP est présenté sur la FIGURE II-2. ka, kd, kp, kt, kdes et kact désignent respectivement les constantes d’activation et de désactivation de l’amorceur, de propagation, de terminaison, de désactivation et d’activation de la chaîne en croissance. M, Pn●, X, Mt et Ligandx symbolisent le monomère, la chaîne en croissance, le médiateur radicalaire, le métal de transition et le ligand.

PROTOCOLE DE LA SYNTH ESE DU COPOLYMERE

Le protocole utilisé pour la synthèse du bloc PDMAEMA est similaire à celui décrit au paragraphe II-2.1.2. Dans un premier temps, un ballon contenant le catalyseur CuBr est dégazé par trois cycles vide / azote. Dans un deuxième ballon, la solution contenant le ligand HMTETA, le macroamorceur PDMS et le DMAEMA dans le THF (50 % en masse) est désoxygénée par bullage d’azote. Après dégazage, le contenu du second ballon est transféré par canulation sous flux d’azote dans le ballon contenant le catalyseur CuBr. Une fois tous les réactifs introduits dans le premier ballon, ce dernier est placé dans un bain d’huile thermostaté à 60°C, sous agitation magnétique, pendant trois heures. En fin de réaction, le ballon est mis en contact avec l’air et passé sous flux d’eau froide pour le faire revenir rapidement à température ambiante.

PURIFICATION DU COPOLYMERE

Le copolymère PDMS-b-PDMAEMA est précipité dans un volume d’eau à pH basique (pH ~ 10) environ vingt fois supérieur au volume de la solution. Il est ensuite filtré et séché sous vide pendant plusieurs heures puis dissous dans un large volume de THF et cette solution est passée sur colonne d’oxyde d’alumine activée basique afin d’éliminer le cuivre CuBr/ PMDETA [1/1]

RESONANCE MAGNETIQUE DU PROTON (RMN 1H)

Les analyses par résonance magnétique du proton (RMN 1H) sont réalisées sur un spectromètre Bruker 400 MHz à température ambiante. Les échantillons sont préparés dans le chloroforme deutéré (CDCl3) pour une concentration massique en polymère de 2 %.

SPECTROMETRIE DE MASSE A PLASMA INDUIT (ICP-MS)

Les analyses de spectrométrie de masse à plasma induit sont réalisées sur un spectromètre i Cap Q (Thermo Elemental) équipé d’une chambre de vaporisation et d’un nébuliseur qui transforme l’échantillon en un aérosol liquide à l’aide d’argon gazeux. L’aérosol ainsi formé est envoyé dans une torche à plasma d’argon à très haute température (6000 – 10000°C) pour vaporiser, dissocier, atomiser et ioniser complètement l’échantillon. Un système de vide différentiel accélère alors les ions du plasma vers une lentille ionique qui extrait les ions chargés positivement et les transporte vers un filtre de masse quadripolaire.
Cette technique nous permet de détecter le cuivre résiduel dans nos polymères après purification. L’ICP-MS est étalonné avec des solutions de concentration en cuivre connues (entre 1 et 500 ppb) préparées par dilution d’une solution standard (4 % HNO3, 1000 mg.L-1 Cu, SCP Science) par une solution de HNO3 à 0,2 mol.L-1. Pour chaque solution étalon, six points de mesure du Cu63 sont réalisés. Entre deux mesures, l’appareil est rincé avec une solution de HNO3 à 0,2 mol.L-1.

CARACTERISATION D’UN MACROAMORCEUR PDMS

Le macroamorceur PDMS est caractérisé par SEC et RMN 1H. Pour la RMN 1H, les pics caractéristiques sont les suivants : δ = 0 ppm (s, 372H, Si-(CH3)2), δ = 0,45 ppm (t, 4H, Si-CH2), δ = 0,8 ppm (t, 3H, CH3), δ = 1,2 ppm (m, 4H, CH2), δ = 1,55 ppm (m, 2H, CH2), δ = 1,9 ppm (s, 6H, CH3), δ = 3,35 ppm (t, 2H, CH2-O), δ = 3,65 ppm (t, 2H, CH2-O), δ = 4,25 ppm (t, 2H, CH2-O-C=O). Le fort signal à 1,9 ppm correspondant aux groupements méthyles en β du brome démontre la modification de l’extrémité de la chaîne PDMS. La comparaison des spectres du PDMS-OH et du macroamorceur PDMS permet de vérifier que la réaction est quantitative. En effet, le déblindage des protons du carbone en α du groupement hydroxyle augmente après la condensation, ce qui conduit au décalage du triplet à δ = 3,7 ppm pour le PDMS-OH, vers le triplet à δ = 4,25 ppm pour le macroamorceur PDMS.
La caractérisation par RMN 1H permet aussi de déterminer le degré de polymérisation du macroamorceur PDMS. Pour cela, l’intensité relative des pics correspondant aux protons de l’extrémité de la chaîne (δ = 3,35 ppm, δ = 3,65 ppm, δ = 4,25 ppm) est comparée à celle du signal des protons portés par les groupements méthyles des siliciums (δ = 0 ppm). La masse molaire du macroamorceur est ainsi estimée autour de Mn = 3 000 g.mol-1. La dispersité Ð du macroamorceur est quant à elle déterminée par SEC.

MATERIEL ET METHODES

FORMULATION DES EMULSIONS

PREPARATION DES PHASES AQUEUSES ET HUILEUSES

Les phases aqueuses des émulsions sont préparées à partir d’eau milliQ de résistivité 18,2 MΩ.cm. Le pH est ajusté à l’aide de solutions Titrisol à différentes concentrations en HCl ou NaOH. La force ionique est variée en utilisant un des trois sels suivants : NaCl, CaCl2 ou Na2SO4. La phase huile est constituée de toluène dans lequel le copolymère neutre est solubilisé à une concentration de 5 g.L-1.

MISE EN CONTACT DES DEUX PHASES

Pour toutes les émulsions, le ratio volumique eau – toluène est égal à un : chaque émulsion est composée de 3 mL de phase aqueuse et de 3 mL de phase huileuse contenant le copolymère. Les deux phases sont mises en contact dans un pilulier en verre à température ambiante 24 heures avant l’émulsification. Ce temps de contact est choisi supérieur au temps d’équilibre du partitionnement du copolymère entre la phase aqueuse, la phase huileuse et l’interface. Le temps d’équilibre est déterminé par spectroscopie UV (voir paragraphe III-2.6), qui permet de déterminer l’évolution de la concentration en polymère dans l’eau au cours du temps3. La FIGURE III-2 présente ce profil de concentration pour un des échantillons étudiés au cours des 24 heures de contact.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I : LES EMULSIONS – ETAT DE L’ART
I-1. Les émulsions
I-2. Domaines d’application des émulsions
I-3. Prédire le type d’émulsion
I-4. Les émulsions stimulables
I-5. Les émulsions multiples
I-6. Contexte de la thèse
CHAPITRE II : SYNTHESE DE COPOLYMERES AMPHIPHILES STIMULABLES 
II-1. Introduction
II-2. Matériel et méthodes
II-3. Copolymère PS-b-P(S-st-DMAEMA)
II-4. Copolymère biocompatible PDMS-b-PDMAEMA
II-5. Conclusion
CHAPITRE III : EFFET DU PH ET DE LA FORCE IONIQUE SUR LES EMULSIONS EAU – TOLUENE – PS40-B-P(S21-ST-DMAEMA68)
III-1. Introduction
III-2. Matériel et méthodes
III-3. Emulsions eau – toluène en présence de NaCl
III-4. Emulsions eau – toluène en présence de CaCl2
III-5. Emulsions eau – toluène en présence de Na2SO4
III-6. Conclusion
CHAPITRE IV : CONFORMATION DU PS40-B-P(S21-ST-DMAEMA68) A L’INTERFACE EAU – TOLUENE
IV-1. Introduction
IV-2. Etude des objets formés dans l’eau par Cryo-MET
IV-3. Diffusion de neutrons aux petits angles
IV-4. Réflectivité de neutrons à l’interface eau – huile
IV-6. Conclusion
CHAPITRE V : EMULSIONS MULTIPLES BIOCOMPATIBLES STABILISEES PAR UN COPOLYMERE PDMS-B-PDMAEMA
V-1. Introduction
V-2. Matériel et méthodes
V-3. Emulsions formées en absence de copolymère
V-4. Emulsions eau – Miglyol® 812 stabilisées par le PDMS38-b-PDMAEMA25
V-5. Emulsions eau – myristate d’isopropyle stabilisées par le PDMS38-b-PDMAEMA25
V-6. Interprétation des diagrammes de type d’émulsion
V-7. Conclusion
CHAPITRE VI : APPLICATION A L’ENCAPSULATION ET A LA LIBERATION CONTROLEE DE COMPOSES HYDROPHILES
VI-1. Introduction
VI-2. Déstabilisation provoquée d’émulsions E/H/E
VI-3. Encapsulation – libération de colorants
VI-4. Perspective : Encapsulation de molécules d’intérêt
VI-5. Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES :

Télécharger le rapport complet