Synthèse de copolymères zwitterioniques dérivés du sulfobétaïne et leurs applications biomédicales

Zwitterionic Sulfobetaine-based Copolymers and their Biomedical Applications

• Auteur / Autrice : Yu-Ju Shih
• Direction : André Deratani, Yung Chang, Damien Quémener
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2 en cotutelle avec Chung Yuan Christian University (Chung Li City, Taiwan)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juin-Yih Lai
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Da-Ming Wang, Philippe Guégan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoassemblage

Copolymères

Phosphatidylcholines

Systèmes de transport d'acides aminés neutres

Polymères

Mots clés libres

Antibioadhesive

Polymère

Autoassemblage

Antifouling

Polymer

Self assembly

Résumé

Les polymères biomimétiques incorporant des groupes zwitterioniques mimant la phosphatidylcholine, comme par exemple la phosphobétaïne, la sulfobétaïne ou encore la carboxybétaïne, ont reçu une attention grandissante pour une utilisation dans la prochaine génération de matériaux en contact avec le sang, grâce à leur excellentes propriétés anti-bioadhésives. Le poly(methacrylate de sulfobétaïne) (polySBMA), avec un squelette methacrylate et un analogue de la taurine bétaïne (CH2CH2N+(CH3)2CH2CH2CH2SO3-) comme groupe pendant, est de loin le polymère le plus étudié en raison de sa relative facilité de préparation. Il est maintenant admis que les brosses polymères recouvrant une surface de groupes zwitterioniques permettent l'obtention d'une surface résistance à l'adsorption de biocomposants, permettant d'envisager une application potentielle pour des matériaux mis en contact du sang, comme les implants par exemple. Dans cette thèse, la nouvelle fonctionnalisation de copolymères dérivés du sulfobétaïne et leurs potentielles applications sont développées et étudiées.Dans une première partie, des copolymères diblocs « schizophréniques » contenant des blocs nonioniques et zwittérioniques ont été préparés pour différentes masses molaires via la polymérisation radicalaire contrôlée (ATRP : atom-transfer radical polymerization). Dans ce travail nous présentons une étude systématique de la relation entre la conformation des chaînes copolymères en solution et leur impact sur l'hémocompatibilité dans une solution de sang humain. Le comportement « schizophrénique » de copolymères PNIPAAm-b-PSBMA a été observé par RMN 1H, diffusion dynamique de la lumière et turbidité, démontrant ainsi une double transition morphologique avec à la fois une LCST (lower critical solution temperature) et une UCST (upper critical solution temperature) en solution aqueuse. En dessous de l'UCST du bloc PSBMA, des micelles sont obtenues avec un cœur insoluble de PSBMA entouré d'une écorce soluble de PNIPAAm alors que la structure inverse est observée au-dessus de la LCST du bloc PNIPAAm. Entre l'UCST et la LCST, des unimères parfaitement solubles ont été détectés. La taille hydrodynamique des copolymères et des homopolymères correspondants a également permise de corréler directement la morphologie micellaire avec la compatibilité avec du sang humain. L'adsorption isolée de fibrinogènes humains sur le copolymère à bloc a été étudiée par DLS pour déterminer la stabilité de la résistance à la bio-adhésion d'une suspension de copolymères. Le PNIPAAm-b-PSBMA a démontré une activité anti-coagulante et anti-hémolytique extrêmement élevées sur une large gamme de température allant de 4 à 40°C. La non-dépendance de la biocompatibilité à la température, associée au comportement schizophrénique en solution aqueuse, nous a amené à réfléchir à d'éventuelles applications.Dans la seconde partie de ce manuscrit, des copolymères diblocs « intelligents » contenant des blocs ioniques et zwittérioniques ont été préparés par polymérisation radicalaire contrôlée de type RAFT (reversible the addition-fragmentation chain transfer). Dans ce travail, nous présentons une étude systématique sur la formation d'un nouveau vecteur d'ADN à partir d'un coeur polyplexe ADN/ poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA), recouvert, via des interactions électrostatiques, de copolymères poly(acide acrylique)-block-poly(méthacrylate de sulfobétaïne) (PAA-b-PSBMA). Son impact sur l'hémocompatibilité ainsi que sur l'efficacité de la transfection de gènes ont été vérifiés, en prenant comme référence des polyplexes formés à partir de polyethyleneimine (Pei). La capacité d'interaction des plasmides ADN avec le Pei, PDMAEMA, et PAA-b-PSBMA a été évaluée par « ethidium bromide displacement assays » et « agarose gel retardation assays » en fixant le rapport en atomes d'azote de polymère par atomes de phosphore des nucléotides (rapport N/P) ainsi que le pH de la solution. La mesure du temps de coagulati

Biomimetic polymers containing zwitterionic structures poly(sulfobetaine methacrylate) (polySBMA) has become the most widely studied zwitterionic polymer due to its easy of synthetic preparation. It is now recognized that grafted dense polymer brushes, composed of zwitterionic polySBMA, formed an effective and stable nonfouling surface, potentially enabling the practical use in human blood-contacting devices and implants. In this dissertation, the new functionalization of zwitterionic sulfobetaine-based copolymers and their potential biomedical applications was developed and investigated. In the first part of the dissertation, “schizophrenic” diblock copolymers containing nonionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via the atom-transfer radical polymerization (ATRP). In this work, we demonstrate a systematic study of how morphological changes of poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PNIPAAm-b- PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in the human blood solution. The “schizophrenic” behavior of PNIPAAm-b-PSBMA was observed by 1H nuclear magnetic resonance (1H NMR), dynamic light scattering (DLS), and turbidity measurement with double morphological transition, exhibiting both lower critical solution temperature (LCST) and upper critical solution temperature (UCST) in aqueous solution. Human fibrinogen adsorption onto the PNIPAAm-b-PSBMA copolymers from single-protein solutions was measured by DLS to determine the nonfouling stability of copolymer suspension. The new nonfouling nature of PNIPAAm-b-PSBMA copolymers was demonstrated to show an extremely high anticoagulant activity and antihemolytic activity in human blood over a wide range of explored temperatures from 4 ºC to 40 ºC and suggests their potential in blood-contacting applications.In the second part of the dissertation, “intelligent” diblock copolymers containing ionic and zwitterionic blocks were prepared with well-controlled molecular weights via reversible the addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. In this work, we demonstrate a systematic study of how zwitterionic shielding on a new self-assembled cargo of plasmid DNA/poly(dimethylaminoethyl methacrylate) (PDMAEMA) polyplexes conjugated with poly(acrylic acid)-block-poly(sulfobetaine methacrylate) (PAA-b-PSBMA) copolymers affect hemocompatibility in human blood solution and gene transfection onto target cells. The carrier stability, cell toxicity, hemocompatibility, and gene transfection efficiency of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes was investigated as compared with DNA/polyethyleneimine (PEI)/PAA-b-PSBMA. Hemocompatibility of the prepared polyplexes was evaluated by the anticoagulant activity of the blood coagulant determined by testing the plasma-clotting time and the antihemolytic activity in human blood by measuring red blood-cell hemolysis. The pH-dependent gene transfection of DNA/ PDMAEMA/PAA-b-PSBMA polyplexes, along with their stimuli-responsive behavior, suggests their potential in blood-contacting gene delivery applications.In the final part of the dissertation, ionic/zwitterionic PAA-b-PSBMA diblock copolymer was extended to prepare anti-fouling poly(ether imide) membranes with well-controlled nano-pore structures and water flux via layer-by-layer self-assembled coating process. The surface charge property of the prepared membrane can be regulated by PEI/PAA ratios. Low protein-fouling membrane surfaces from BSA and fibrinogen solution with respect to uncoated membrane surfaces are achieved with optimized block ratio of PAA and PSBMA. Thus, positively charged membranes, coated with zwitterionic copolymers containing anionic groups via charge-driven, are ideal for highly resisting protein adsorption if the membrane surface density of the zwitterionic groups is controlled to a high-level densities.