Inorganic-organic hybrid polymers: Solution-processible coating materials for defined surface functionalization

A new class of inorganic-organic hybrid polymers could successfully been prepared by the combination of different polymerization techniques. The access to a broad range of organic polymers incorporated into the hybrid polymer was realized using two independent approaches.rnIn the first approach a functional poly(silsesquioxane) (PSSQ) network was pre-formed, which was capable to initiate a controlled radical polymerization to graft organic vinyl-type monomers from the PSSQ precursor. As controlled radical polymerization techniques atom transfer radical polymerization (ATRP), as well as reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization could be used after defined tuning of the PSSQ precursor either toward a PSSQ macro-initiator or to a PSSQ macro-chain-transfer-agent. The polymerization pathway, consisting of polycondensation of trialkoxy-silanes followed by grafting-from polymerization of different monomers, allowed synthesis of various functional hybrid polymers. A controlled synthesis of the PSSQ precursors could successfully be performed using a microreactor setup; the molecular weight could be adjusted easily while the polydispersity index could be decreased well below 2.rnThe second approach aimed to incorporate differently derived organic polymers. As examples, polycarbonate and poly(ethylene glycol) were end-group-modified using trialkoxysilanes. After end-group-functionalization these organic polymers could be incorporated into a PSSQ network.rnThese different hybrid polymers showed extraordinary coating abilities. All polymers could be processed from solution by spin-coating or dip-coating. The high amount of reactive silanol moieties in the PSSQ part could be cross-linked after application by annealing at 130° for 1h. Not only cross-linking of the whole film was achieved, which resulted in mechanical interlocking with the substrate, also chemical bonds to metal or metal oxide surfaces were formed. All coating materials showed high stability and adhesion onto various underlying materials, reaching from metals (like steel or gold) and metal oxides (like glass) to plastics (like polycarbonate or polytetrafluoroethylene).rnAs the material and the synthetic pathway were very tolerant toward different functionalities, various functional monomers could be incorporated in the final coating material. The incorporation of N-isopropylacrylamide yielded in temperature-responsive surface coatings, whereas the incorporation of redox-active monomers allowed the preparation of semi-conductive coatings, capable to produce smooth hole-injection layers on transparent conductive electrodes used in optoelectronic devices.rnThe range of possible applications could be increased tremendously by incorporation of reactive monomers, capable to undergo fast and quantitative conversions by polymer-analogous reactions. For example, grafting active esters from a PSSQ precursor yielded a reactive surface coating after application onto numerous substrates. Just by dipping the coated substrate into a solution of a functionalized amine, the desired function could be immobilized at the interface as well as throughout the whole film. The obtained reactive surface coatings could be used as basis for different functional coatings for various applications. The conversion with specifically tuned amines yielded in surfaces with adjustable wetting behaviors, switchable wetting behaviors or as recognition element for surface-oriented bio-analytical devices. The combination of hybrid materials with orthogonal reactivities allowed for the first time the preparation of multi-reactive surfaces which could be functionalized sequentially with defined fractions of different groups at the interface. rnThe introduced concept to synthesis functional hybrid polymers unifies the main requirements on an ideal coating material. Strong adhesion on a wide range of underlying materials was achieved by secondary condensation of the PSSQ part, whereas the organic part allowed incorporation of various functionalities. Thus, a flexible platform to create functional and reactive surface coatings was achieved, which could be applied to different substrates. rn

Studio approfondito di processi post-polimerizzazione del poli(glicidil metacrilato)

The reactivty of poly(glycidyl methacrylate), obtained by RAFT controlled radical polymerization, has been investigated with a nucelophilic agent, such as morpholine, in various aprotic polar solvents in order to optimize the reaction (time and nucleophile excess). A strong interaction between polymer and solvent, gained by hydrogen bonds, during the process has proved to be essential in order to lower the reaction time and the nucelophilic agent excess. Dissimilar behaviors have been detected by GPC analysis due to the reactivity of the sulfhydryl formed during the RAFT's aminolysis. The various solvents lead to conditions in which different inter and intra-chain associations occur; the result is the formation of dimers, trimers and tetramers (to a less extent) in the first case, and cyclical structures in the second one. The reactivity of the hydroxy group, formed during the ring opening reaction, has been further investigated in order to link isothiocyanate-functionalized fluorescent marker along the polymeric chain.

Smart magnetic dispersions - from switchable release to well-defined hybrid nanofibers

The synthesis, characterization and application of aqueous dispersions of superparamagnetic/polymer hybrid nanoparticles and capsules is described. Implementation of the superparamagnetic moiety into the polymer matrix enables a response of the nanomaterials towards an external magnetic field. Application of the external field is used for two main purposes: i) As heat generator, when an alternating magnetic field is applied. ii) As structuring agent to self-assemble superparamagnetic nanoparticles in the external field.rnIn the first part, superparamagnetic nanoparticles were used as heat generators in order to achieve a magnetic field induced release of an active compound from nanocontainers. To achieve such a release in remote-controlled fashion, the encapsulation of superparamagnetic nanoparticles into polymer nanocapsules was combined with the integration of a thermolabile compound into the shell of the nanocontainers. The magnetic nanoparticles acted as generators for heat, which decomposed the thermolabile compound. Pores were created in the degrading shell and an active substance was released.rn Additionally, the self-assembly of polymer nanoparticles, which were labeled with a superparamagnetic moiety as structuring agent, could be demonstrated. A combination of a magnetic field induced self-assembly and a sintering of neighboring particles upon an increase in temperature above the glass transition temperature of the polymer was used to form stable architectures. Various structures with tunable periodicity could be obtained ranging from smooth linear nanofibers to zigzag fibers. Besides solely creating linear architectures, the frugal process additionally allowed the creation of arrangements in analogy to more complex polymer architectures: By the introduction of defined junction points, the generation of branched structures and networks was demonstrated. Additionally, by tailoring the interaction of differently sized particles, the preparation of nanoparticle arrangements in statistical or block copolymer fashion was shown. Moreover, a reversible linear assembly and linkage of the nanoparticles was demonstrated following a lock/unlock mechanism. Therefore, the particles were locked in their linear assembly by a stable iron(III) hydroxamato-complex and unlocked by addition of a reducing agent and formation of a less stable iron(II)-complex.Further, in various projects with collaboration partners, nanoparticles and nanocapsules were labeled with a superparamagnetic moiety for their use as contrast agents in magnetic resonance imaging or as magnetically separable dispersions.

Fullerene-capped copolymers for bulk heterojunctions: device stability and efficiency improvements

A fullerene end-capped polymer-compatibilizer based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) was synthesized and demonstrated to have a remarkable effect on both the stability and efficiency of devices made from exemplar P3HT and [6,6]-phenyl C61-butyric acid methyl ester (PCBM). P3HT with ethynyl chain-ends and α-azido-ω-bromo-PS were prepared via Grignard metathesis (GRIM) and atom transfer radical polymerisation, respectively. “Click” chemistry resulted in the preparation of poly(3-hexylthiophene)-block-ω-bromo-polystyrene (P3HT-b-PS-Br), and subsequent atom transfer radical addition chemistry with fullerene (C60) yielded the donor–acceptor block copolymer P3HT-b-PS-C60. Both P3HT-b-PS-Br and P3HT-b-PS-C60 were considered as compatibilizers with P3HT/PCBM blends, with the study detailing effects on active-layer morphology, device efficiency and stability. When used at low concentrations, both P3HT-b-PS-Br (1%) and P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in considerable 28% and 35% increases in efficiencies with respect to devices made from P3HT/PCBM alone. Furthermore, P3HT-b-PS-C60 (0.5%) resulted in an important improvement in device stability.

A hydrothermally stable transition alumina by condensation-enhanced self-assembly and pyrolysis crystallization:application in the steam reforming of methane

The preparation of a steam-based hydrothermally stable transition alumina is reported. The gel was derived from a synthetic sol-gel route where Al-tri-sec-butoxide is hydrolysed in the presence of a non-ionic surfactant (EO20PO70EO20), HCl as the catalyst and water (H2O/Al = 6); the condensation was enhanced by treating the hydrolysed gel with tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH), after which it was dried at 60 °C by solvent evaporation. The so-obtained mesophase was crystallized under argon at 1200 °C (1 h) producing a transition alumina containing δ/α, and possibly θ, alumina phases. Due to its surface acidity, the pyrolysis conditions transform the block copolymer into a cross-linked char structure that embeds the alumina crystallites. Calcination at 650 °C generates a fully porous material by burning the char; a residual carbon of 0.2 wt.% was found, attributed to the formation of surface (oxy)carbides. As a result, this route produces a transition alumina formed by nanoparticles of about 30 nm in size on average, having surface areas in the range of 59-76 m2 g-1 with well-defined mesopores centered at 14 nm. The material withstands steam at 900 °C with a relative surface area rate loss lower than those reported for δ-aluminas, the state-of-the-art MSU-X γ-alumina and other pure γ-aluminas. The hydrothermal stability was confirmed under relevant CH4 steam reforming conditions after adding Ni; a much lower surface area decay and higher CH4 conversion compared to a state-of-the-art MSU-X based Ni catalyst were observed. Two effects are important in explaining the properties of such an alumina: the char protects the particles against sintering, however, the dominant effect is provided by the TBAOH treatment that makes the mesophase more resistant to coarsening and sintering. This journal is © the Partner Organisations 2014.

BLOCK COPOLYMERS CONTAINING A LOW-SURFACE-ENERGY BLOCK AND THEIR APPLICATIONS

This thesis reports the synthesis and/or applications of three types of block copolymers that each bear a low-surface-energy block. First, poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-cinnamoyloxyethyl acrylate) (PDMS-b-PCEA) was synthesized and characterized. Cotton coating using a micellar solution of this block copolymer yielded superhydrophobic cotton fabrics. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and surface property analyses indicated that the PDMS block topped the polymer coating. Photocuring the cotton swatches crosslinked the underlying PCEA layer and yielded permanent coatings. More interestingly, hydrophilically patterned superhydrophobic cotton fabrics were produced using photolithography that allowed the crosslinking of the coating around irradiated fibers but the removal, by solvent extraction, of the coating on fibers that were not irradiated. Since water-based ink only permeated the uncoated regions, such patterned fabric was further used to print ink patterns onto substrates such as fabrics, cardboard, paper, wood, and aluminum foil. Then, another PDMS-based diblock copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(glycidyl methacrylate) (PDMS-b-PGMA) was prepared. Different from PCEA that photocrosslinked around cotton fibers, PGMA reacted with hydroxyl groups on cotton fiber surfaces to get covalently attached. Further, different PGMA chains crosslinked with each other. PDMS-b-PGMA-coated cotton fabrics have been used for oil-water separations. In addition, polymeric nanoparticles were grafted onto cotton fiber surface before PDMS-b-PGMA was used to cover the surfaces of the grafted spheres and the residual surfaces of the cotton fibers. These two types of fabrics, coated by the block copolymer alone or by the polymer nanospheres and then the copolymer, were characterized by scanning electron microscope (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and water repellency analyses. A comprehensive comparative study was made of their performances in oil-water separation. Finally, a fluorinated ABC triblock copolymer poly(acrylic acid)-block-poly(2-cinnamoyloxyethyl methacrylate)-block-poly(2-perfluorooctylethyl methacrylate) (PAA-b-PCEMA-b-PFOEMA) was used to iii encapsulate air nanobubbles. The produced air nanobubbles were thermodynamically stable in water and were some 100 times more stable than commercially available perfluorocarbon-filled microbubbles under ultrasound. These nanobubbles, due to their small sizes and thus ability to permeate the capillary networks of organs and to reach tumors, may expand the applications of microbubbles in diagnostic ultrasonography and find new applications in ultrasound-regulated drug delivery.

Dynamic formation of SEBS copolymer submicrometric structures

Highly ordered A-B-A block copolymer arrangements in the submicrometric scale, resulting from dewetting and solvent evaporation of thin films, have inspired a variety of new applications in the nanometric world. Despite the progress observed in the control of such structures, the intricate scientific phenomena related to regular patterns formation are still not completely elucidated. SEBS is a standard example of a triblock copolymer that forms spontaneously impressive pattern arrangements. From macroscopic thin liquid films of SEBS solution, several physical effects and phenomena act synergistically to achieve well-arranged patterns of stripes and/or droplets. That is, concomitant with dewetting, solvent evaporation, and Marangoni effect, Rayleigh instability and phase separation also play important role in the pattern formation. These two last effects are difficult to be followed experimentally in the nanoscale, which render difficulties to the comprehension of the whole phenomenon. In this paper, we use computational methods for image analysis, which provide quantitative morphometric data of the patterns, specifically comprising stripes fragmentation into droplets. With the help of these computational techniques, we developed an explanation for the final part of the pattern formation, i.e. structural dynamics related to the stripes fragmentation. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mesoporous dye-doped titanium dioxide for micro-optoelectronic applications

Optically transparent, mesostructured titanium dioxide thin films were fabricated using an amphiphilic poly(alkylene oxide) block copolymer template in combination with retarded hydrolysis of a titanium isopropoxide precursor. Prior to calcination, the films displayed a stable hexagonal mesophase and high refractive indices (1.5 to 1.6) relative to mesostructured silica (1.43). After calcination, the hexagonal mesophase was retained with surface areas >300 m2 g-1. The dye Rhodamine 6G (commonly used as a laser dye) was incorporated into the copolymer micelle during the templating process. In this way, novel dye-doped mesostructured titanium dioxide films were synthesised. The copolymer not only directs the film structure, but also provides a solubilizing environment suitable for sustaining a high monomer-to-aggregate ratio at elevated dye concentrations. The dye-doped films displayed optical thresholdlike behaviour characteristic of amplified spontaneous emission. Soft lithography was successfully applied to micropattern the dye-doped films. These results pave the way for the fabrication and demonstration of novel microlaser structures and other active optical structures. This new, high-refractive index, mesostructured, dye-doped material could also find applications in areas such as optical coatings, displays and integrated photonic devices.

Electro-mechanical properties of triblock copolymer styrene-butadiene-styrene / carbon nanotube composites for large deformation sensor applications

Thermoplastic elastomer/carbon nanotube composites are studied for sensor applications due to their excellent mechanical and electrical properties. Piezoresisitive properties of tri-block copolymer styrene-butadiene-styrene (SBS)/ carbon nanotubes (CNT) prepared by solution casting have been investigated. Young modulus of the SBS/CNT composites increases with the amount of CNT filler content present in the samples, without losing the high strain deformation on the polymer matrix (~1500 %). Further, above the percolation threshold these materials are unique for the development of large deformation sensors due to the strong piezoresistive response. Piezoresistive properties evaluated by uniaxial stretching in tensile mode and 4-point bending showed a Gauge Factors up to 120. The excellent linearity obtained between strain and electrical resistance makes these composites interesting for large strain piezoresistive sensors applications.

Protein-based nanodevices for therapeutic applications

Tese de Doutoramento em Biologia Molecular e Ambiental (área de especialização em Biologia Celular e Saúde).

Mise au point de nanoparticules polymères pour l'administration parentérale d'agents anticancéreux hydrophobes

Plusieurs agents anticancéreux très puissants sont caractérisés par une solubilité aqueuse limitée et une toxicité systémique importante. Cette dernière serait liée d’une part à la solubilisation des agents anticancéreux à l’aide de surfactifs de bas poids moléculaire, connus pour leur toxicité intrinsèque, et d’autre part, par le manque de spécificité tissulaire des anticancéreux. Les vecteurs colloïdaux à base de polymères permettraient de résoudre certains défis liés à la formulation d’agents anticancéreux hydrophobes. D’abord, les polymères peuvent être sélectionnés afin de répondre à des critères précis de compatibilité, de dégradation et d’affinité pour le médicament à formuler. Ensuite, le fait d’encapsuler l’agent anticancéreux dans un vecteur peut améliorer son efficacité thérapeutique en favorisant son accumulation au niveau du tissu cible, i.e. la tumeur, et ainsi limiter sa distribution au niveau des tissus sains. Des travaux antérieurs menés au sein de notre laboratoire ont mené à la mise au point de micelles à base de poly(N-vinyl-pyrrolidone)-bloc-poly(D,L-lactide) (PVP-b-PDLLA) capables de solubiliser des agents anticancéreux faiblement hydrosolubles dont le PTX. Ce dernier est commercialisé sous le nom de Taxol® et formulé à l’aide du Crémophor EL (CrEL), un surfactif de bas poids moléculaire pouvant provoquer, entre autres, des réactions d’hypersensibilité sévères. Bien que les micelles de PVP-b-PDLLA chargées de PTX aient démontré une meilleure tolérance comparée au Taxol®, leur potentiel de ciblage tumoral et leur efficacité thérapeutique étaient similaires à la forme commerciale à doses égales. Ceci était possiblement dû au fait que les micelles étaient rapidement déstabilisées et ne pouvaient retenir leur cargo suite à leur administration intraveineuse. Nous avons donc décidé de poursuivre les travaux avec un autre type de vecteur, soit des nanoparticules, qui possèdent une stabilité intrinsèque supérieure aux micelles. L’objectif principal de cette thèse de doctorat était donc de mettre au point des nanoparticules polymères pour l’administration parentérale d’agents anticancéreux faiblement solubles dans l’eau. Les nanoparticules devaient permettre d’encapsuler des agents anticancéreux hydrophobes et de les libérer de manière contrôlée sur plusieurs jours. De plus, elles devaient démontrer un temps de circulation plasmatique prolongée afin de favoriser l’accumulation passive du médicament encapsulé au niveau de la tumeur. La première partie du travail visait à employer pour la première fois le copolymère amphiphile PVP-b-PDLLA comme émulsifiant dans la préparation de nanoparticules polymères. Ainsi, une méthode de fabrication des nanoparticules par émulsion huile-dans-eau a été appliquée afin de produire des nanoparticules à base de PDLLA de taille inférieure à 250 nm. Grâce aux propriétés lyoprotectrices de la couronne de PVP présente à la surface des nanoparticules, celles-ci pouvaient retrouver leur distribution de taille initiale après lyophilisation et redispersion en milieu aqueux. Deux anticancéreux hydrophobes, soit le PTX et l’étoposide (ETO), ont été encapsulés dans les nanoparticules et libérés de ces dernières de façon contrôlée sur plusieurs jours in vitro. Une procédure de « salting-out » a été appliquée afin d’améliorer le taux d’incorporation de l’ETO initialement faible étant donnée sa solubilité aqueuse légèrement supérieure à celle du PTX. Le second volet des travaux visait à comparer le PVP comme polymère de surface des nanoparticules au PEG, le polymère le plus fréquemment employé à cette fin en vectorisation. Par le biais d’études d’adsorption de protéines, de capture par les macrophages et de biodistribution chez le rat, nous avons établi une corrélation in vitro/in vivo démontrant que le PVP n’était pas un agent de surface aussi efficace que le PEG. Ainsi, malgré la présence du PVP à la surface des nanoparticules de PDLLA, ces dernières étaient rapidement éliminées de la circulation sanguine suite à leur capture par le système des phagocytes mononucléés. Par conséquent, dans le troisième volet de cette thèse, le PEG a été retenu comme agent de surface, tandis que différents polymères biodégradables de la famille des polyesters, certains synthétiques (PDLLA et copolymères d’acide lactique/acide glycolique), d’autres de source naturelle (poly(hydroxyalkanoates)(PHAs)), ont été investiguées comme matériaux formant le cœur des nanoparticules. Il en est ressorti que les propriétés physicochimiques des polyesters avaient un impact majeur sur l’efficacité d’encapsulation du PTX et son profil de libération des nanoparticules in vitro. Contrairement aux PHAs, les polymères synthétiques ont démontré des taux d’incorporation élevés ainsi qu’une libération contrôlée de leur cargo. Des études de pharmacocinétique et de biodistribution ont démontré que les nanoparticules de PDLLA dotées d’une couronne de PEG conféraient un temps de circulation plasmatique prolongé au PTX et favorisaient son accumulation tumorale. Les nanoparticules polymères représentent donc une alternative intéressante au Taxol®.

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Nanostructure des particules polymériques : aspects physiques, chimiques et biologiques

Les nanotechnologies appliquées aux sciences pharmaceutiques ont pour but d’améliorer l’administration de molécules actives par l’intermédiaire de transporteurs nanométriques. Parmi les différents types de véhicules proposés pour atteindre ce but, on retrouve les nanoparticules polymériques (NP) constituées de copolymères “en bloc”. Ces copolymères permettent à la fois l’encapsulation de molécules actives et confèrent à la particule certaines propriétés de surface (dont l’hydrophilicité) nécessaires à ses interactions avec les milieux biologiques. L’architecture retenue pour ces copolymères est une structure constituée le plus fréquemment de blocs hydrophiles de poly(éthylène glycol) (PEG) associés de façon linéaire à des blocs hydrophobes de type polyesters. Le PEG est le polymère de choix pour conférer une couronne hydrophile aux NPs et son l’efficacité est directement liée à son organisation et sa densité de surface. Néanmoins, malgré les succès limités en clinique de ces copolymères linéaires, peu de travaux se sont attardés à explorer les effets sur la structure des NPs d’architectures alternatives, tels que les copolymères en peigne ou en brosse. Durant ce travail, plusieurs stratégies ont été mises au point pour la synthèse de copolymères en peigne, possédant un squelette polymérique polyesters-co-éther et des chaines de PEG liées sur les groupes pendants disponibles (groupement hydroxyle ou alcyne). Dans la première partie de ce travail, des réactions d’estérification par acylation et de couplage sur des groupes pendants alcool ont permis le greffage de chaîne de PEG. Cette méthode génère des copolymères en peigne (PEG-g-PLA) possédant de 5 à 50% en poids de PEG, en faisant varier le nombre de chaînes branchées sur un squelette de poly(lactique) (PLA). Les propriétés structurales des NPs produites ont été étudiées par DLS, mesure de charge et MET. Une transition critique se situant autour de 15% de PEG (poids/poids) est observée avec un changement de morphologie, d’une particule solide à une particule molle (“nanoagrégat polymére”). La méthode de greffage ainsi que l’addition probable de chaine de PEG en bout de chaîne principale semblent également avoir un rôle dans les changements observés. L’organisation des chaînes de PEG-g-PLA à la surface a été étudiée par RMN et XPS, méthodes permettant de quantifier la densité de surface en chaînes de PEG. Ainsi deux propriétés clés que sont la résistance à l’agrégation en conditions saline ainsi que la résistance à la liaison aux protéines (étudiée par isothermes d’adsorption et microcalorimétrie) ont été reliées à la densité de surface de PEG et à l’architecture des polymères. Dans une seconde partie de ce travail, le greffage des chaînes de PEG a été réalisé de façon directe par cyclo-adition catalysée par le cuivre de mPEG-N3 sur les groupes pendants alcyne. Cette nouvelle stratégie a été pensée dans le but de comprendre la contribution possible des chaines de PEG greffées à l’extrémité de la chaine de PLA. Cette librairie de PEG-g-PLA, en plus d’être composée de PEG-g-PLA avec différentes densités de greffage, comporte des PEG-g-PLA avec des PEG de différent poids moléculaire (750, 2000 et 5000). Les chaines de PEG sont seulement greffées sur les groupes pendants. Les NPs ont été produites par différentes méthodes de nanoprécipitation, incluant la nanoprécipitation « flash » et une méthode en microfluidique. Plusieurs variables de formulation telles que la concentration du polymère et la vitesse de mélange ont été étudiées afin d’observer leur effet sur les caractéristiques structurales et de surface des NPs. Les tailles et les potentiels de charges sont peu affectés par le contenu en PEG (% poids/poids) et la longueur des chaînes de PEG. Les images de MET montrent des objets sphériques solides et l'on n’observe pas d’objets de type agrégat polymériques, malgré des contenus en PEG comparable à la première bibliothèque de polymère. Une explication possible est l’absence sur ces copolymères en peigne de chaine de PEG greffée en bout de la chaîne principale. Comme attendu, les tailles diminuent avec la concentration du polymère dans la phase organique et avec la diminution du temps de mélange des deux phases, pour les différentes méthodes de préparation. Finalement, la densité de surface des chaînes de PEG a été quantifiée par RMN du proton et XPS et ne dépendent pas de la méthode de préparation. Dans la troisième partie de ce travail, nous avons étudié le rôle de l’architecture du polymère sur les propriétés d’encapsulation et de libération de la curcumine. La curcumine a été choisie comme modèle dans le but de développer une plateforme de livraison de molécules actives pour traiter les maladies du système nerveux central impliquant le stress oxydatif. Les NPs chargées en curcumine, montrent la même transition de taille et de morphologie lorsque le contenu en PEG dépasse 15% (poids/poids). Le taux de chargement en molécule active, l’efficacité de changement et les cinétiques de libérations ainsi que les coefficients de diffusion de la curcumine montrent une dépendance à l’architecture des polymères. Les NPs ne présentent pas de toxicité et n’induisent pas de stress oxydatif lorsque testés in vitro sur une lignée cellulaire neuronale. En revanche, les NPs chargées en curcumine préviennent le stress oxydatif induit dans ces cellules neuronales. La magnitude de cet effet est reliée à l’architecture du polymère et à l’organisation de la NP. En résumé, ce travail a permis de mettre en évidence quelques propriétés intéressantes des copolymères en peigne et la relation intime entre l’architecture des polymères et les propriétés physico-chimiques des NPs. De plus les résultats obtenus permettent de proposer de nouvelles approches pour le design des nanotransporteurs polymériques de molécules actives.

Converting the nanodomains of a diblock-copolymer thin film from spheres to cylinders with an external electric field

We investigate the ability of an applied electric field to convert the morphology of a diblock-copolymer thin film from a monolayer of spherical domains embedded in the matrix to cylindrical domains that penetrate through the matrix. As expected, the applied field increases the relative stability of cylindrical domains, while simultaneously reducing the energy barrier that impedes the transition to cylinders. The effectiveness of the field is enhanced by a large dielectric contrast between the two block-copolymer components, particularly when the low-dielectric contrast component forms the matrix. Furthermore, the energy barrier is minimized by selecting sphere-forming diblock copolymers that are as compositionally symmetric as possible. Our calculations, which are the most quantitatively reliable to date, are performed using a numerically precise spectral algorithm based on self-consistent-field theory supplemented with an exact treatment for linear dielectric materials.

Structure and rheology of aqueous micellar solutions and gels formed from an associative poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer

The structure and shear flow behaviour of aqueous micellar solutions and gels formed by an amphiphilic poly(oxybutylene)-poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) triblock copolymer with a lengthy hydrophilic poly(oxyethylene) block has been investigated by rheology, small angle neutron scattering (SANS) and small-angle X-ray scattering (SAXS). SANS revealed that bridging of chains between micelles introduces, in the micellar solution, an attractive long-range component which can be described through a potential of interaction corresponding to sticky soft spheres. The strength of the attractive interaction increases with increasing concentration. Rheology showed that the dependence of the storage modulus with temperature can be explained as a function of the micellar bridging, micellisation and phase morphology. SAXS studies showed that the orientation adopted by the system in the get phase under shear is similar to that previously observed by us for the gel phase of a poly(oxyethylene)-poly(oxybutylene) diblock copolymer with a long poly(oxyethylene) chain, suggesting that the micellar corona/core length ratio and not the architecture of the block copolymer influences the alignment of the gel phase under shear.