Brosses de polymères stimuli-sensibles pour le contrôle de l'adhésion cellulaire

Stimuli-responsive polymer brushes for on-chip cell adhesion control

• Auteur / Autrice : Siddhartha Varma
• Direction : Lionel Bureau, Delphine Débarre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 10/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Charlaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Heux, Thierry Charitat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Daillant, Marie-Pierre Valignat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymérisation

Cellules -- Adhésivité

Dynamique moléculaire

Mots clés libres

Polymères stimulables

Adhésion cellulaire

Nanoactuation

Stimuli-Responsive polymers

Cell adhesion

Nanoactuaction

Résumé

Le but de cette thèse de doctorat était de concevoir des brosses de polymères stimuli-sensibles afin de contrôler dynamiquement les interactions adhésives entre une cellule et son substrat.Pour cela, nous avons utilisé la polymérisation radicalaire par transfert d'atomes (ATRP) initiée en surface, et sa variante permettant de régénérer in situ le catalyseur de polymérisation (ARGET-ATRP), pour préparer des brosses thermo-sensibles de poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM). Les deux méthodes ont été appliquées pour différentes densités surfaciques et temps de polymérisation, et les cinétiques de croissance de la brosse à l'aide des deux protocoles ont été étudiés. Une croissance de chaîne bien contrôlée a été observée avec le protocole ARGET-ATRP, mais pas avec la méthode ATRP. Le protocole testé ci-dessus a été utilisé pour fabriquer des brosses de PNIPAM qui ont été patternées par l'intermédiaire d'une stratégie d'ablation aux UV profonds, afin de concevoir des substrats permettant de contrôler spatialement l'adsorption de protéines. Ces substrats ont montré d'excellentes propriétés adhésives, sont réutilisables et peuvent se stocker sur de longues périodes.Les changements conformationnels de brosses PNIPAM ont été sondés grâce à un dispositif original mis en place sur la base d'un microscope en réflexion à contraste d'interférences (RICM). La technique RICM a permis d'estimer la réponse optique des brosses en fonction de leur profil de hauteur, ce qui en fait un outil intéressant pour leur caractérisation. La réponse de la brosse a été étudiée en fonction de sa densité de greffage et de la longueur de chaîne. Les résultats ont fourni une preuve unique de l'existence d'un phénomène de séparation de phase verticale, donnant lieu à des changements structurels non-uniformes dans les brosses lors du passage de la température inférieure de solubilité du PNIPAM dans l'eau. Le RICM a été utilisé pour réaliser la tâche complexe d'estimer les paramètres moléculaires de la brosse et la compréhension de l'origine physique du phénomène d'hystérésis thermique dans une brosse de polymère.De nouveaux polymères stimuli-sensibles ont été synthétisés dans le but d'obtenir des systèmes d'intérêt pour les études biologiques en conditions physiologiques. Nous avons conçus différents co-polymères photo-thermo-sensibles à base d'acrylamides et d'acrylates. Les changements de conformation des polymères conçus ont été étudiés en détail en faisant varier la composition globale des monomères dans le système. Nous avons identifié une composition de ter-polymères dont les solutions aqueuses ont montré une séparation de phase à 37°C qui peut être réversible sous irradiation lumineuse, ce qui la rend compatible pour les études d'adhésion cellulaire.

The aim of the current Ph.D thesis was to design stimuli responsive polymer brushes in order to dynamic control cell-substrate adhesive interactions.For this purpose, Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) and Activators Regenerated by electron Transfer (ARGET)-ATRP were used in order to prepare thermo responsive Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) brushes. Both the methods were applied under varying surface densities and polymerization times, and the kinetics of the brush growth using both the protocols was investigated. A well controlled chain growth was reported under ARGET-ATRP protocol, in contrast to the ATRP method. The above tested protocol was used to grow PNIPAM brushes that were patterned via deep UV photoablation strategy to design thermoresponsive patterned substrates for protein adsorption studies.The substrates showed excellent adhesive properties and reusability with long term storage capacity.The conformational changes of PNIPAM brushes, grown via the ARGET-ATRP protocol, were investigated using an original set-up based on Reflection Interference Contrast Microscopy (RICM). RICM allowed us to probe the optical response of the brushes as a function of their density profile, making it an interesting tool for brush characterization. The response of the brush was studied as a function of brush grafting density and chain length. The results provided a unique evidence for non-uniform structural changes within the brush thickness when the solvent temperature was varied across the Lower Critical Solution Temperature (LCST) of the polymer. RICM was employed to achieve the challenging task of estimating the molecular parameters of the brush and understanding the physical origin of the phenomenon of thermal hysteresis in a polymer brush.Stimuli Responsive Polymers, sensitive to non-invasive stimuli, were synthesized with an aim to address dynamic single cell adhesion studies at their physiological conditions. Free Radical Polymerization and ARGET-ATRP protocol were used to design two photo-thermo-responsive poly(DMA-AZAA) and poly(DMA-NIPAM-AZAAm) polymers. The conformational changes of the designed polymers were investigated at length by varying the overall composition of monomers in the system. The solutions of the DMA-NIPAM-AZAAm terpolymer showed a sharp phase separation at 37°C that could be reversibly switched under light irradiation, making it compatible for cell adhesion studies.