Développement de matériaux polymères à haute perméabilité d’oxygène

Development of polymer materials with high oxygen permeability

• Auteur / Autrice : Pavlo Demianenko
• Direction : Fabienne Poncin-Epaillard, Benoit Minisini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/06/2015
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....) - Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Hydrocolloïdes

Biocompatibilité

Lentilles de contact

Oxygène -- Appareils et matériel

Perméabilité

Réseaux polymères

Mots clés libres

Hydrogel

Réseaux polymères interpénétrés

Lentilles de contact

Teneur en eau

Mouillabilité

Perméabilité à l'oxygène

Modélisation atomistique

Plasma froid

Interpenetrating polymer networks

Contact lens materials

Equilibrium water content

Permeability of oxygen

Résumé

Développer un matériau pour une application dans le domaine des lentilles de contact nécessite de satisfaire plusieursexigences, notamment sur la transparence optique, sur la stabilité chimique et thermique. En outre, puisque le matériauest directement en contact avec le tissu de l'oeil, il doit être mouillable, biocompatible, résistant à l'encrassementbiologique, et perméable à l'oxygène. La perméabilité à l'oxygène (Dk) est un paramètre important pour la conceptionde lentilles de contact. Ce paramètre représente la facilité qu’aura l’oxygène à diffuser à travers la lentille vers l’oeil.Dans ce contexte, nous décrivons deux voies de recherche sur une nouvelle formulation afin de répondre à ces critères. Dans une première approche, cette recherche est axée sur la synthèse d’hydrogels de morphologie spécifique, en particulier, sur la synthèse simultanée et/ou séquentielle de réseaux polymères interpénétrés (IPN) permettant d’obtenir unemorphologie à phases co-continues. Parmi les nombreux monomères biocompatibles, nous nous sommes focalisésinitialement sur la combinaison d'un acrylate fluoré (2,2,2 -trifluoroéthyl méthacrylate, TFEM) et de la 1 -vinyl-2 -pyrrolidone (NVP), ce système étant comparé à un IPN constitué d’un monomère siloxane (3-[tris (triméthylsiloxy)-silyle] méthacrylate de propyle], TRIS), bien connu dans le domaine des lentilles de contact en raison de ses bonnes propriétés de transport de l'oxygène. Dans une deuxième approche, ces systèmes sont considérés comme une référence et nous avons prospecté l’élaboration d’IPN à base d’alginate et d’acrylamide, ces hydrogels ayant démontré des propriétés attractives, en particulier les propriétés mécaniques. Plusieurs formulations de gels ont été préparées et l'influence de leur composition sur les propriétés d’intérêt est décrite. En effet, ces hydrogels sont caractérisés d’un point de vue chimique par spectroscopie IRTF, chromatographie couplée GC-MS et d’un point de vue morphologie par microscopie MEB afin de mettre en évidence une morphologie avec des phases co-continues. Les propriétés mécaniques sont aussi déterminées. La perméabilité à l’oxygène étant en partie liée aux propriétés de gonflement du gel, la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a permis de déterminer et de quantifier l’eau absorbée dans ses différents états thermodynamiques et ces données sont reliées aux mesures de perméabilité. Une autre partie de ce projet est centrée sur la simulation numérique des hydrogels et de leurspropriétés physico-chimiques telles que le gonflement dans l’eau et la diffusion de molécules de gaz. Nous avons utilisé la méthode de dynamique moléculaire (MD) avec le champ de force COMPASS afin de modéliser les polymères les plus communs dans le domaine des lentilles de contact.

To design a material for contact lens application, the candidate materials must satisfy several requirements, including theoptical transparency, the chemical and thermal stability. In addition, since the material is directly in contact with the eyetissue, it should be tear wettable, biocompatible, biofouling resistant and oxygen permeable. Oxygen permeability (Dk) isan important parameter for the contact lens design as it is representative of the lens ability to diffuse oxygen at the eye.In this context, we are following two ways for a new formulation answering to these constrains. First, this research is focusedon the simultaneous or two-step synthesis of IPNs (interpenetrating polymer network) as a means to obtain a cocontinuousphases structure. Among the available biocompatible monomers, the work was initially focused on the achievement of IPN's based on a fluorinated acrylate - TFEM (2,2,2-trifluoroethyl methacrylate) and the 1 -vinyl-2 -pyrrolidone (NVP). Such a system is compared to IPN's based on a siloxane monomer - TRIS (3 - [tris (trimethylsiloxy) silyl] propyl methacrylate]), well known in the field of contact lens thanks to its properties of oxygen transport. These systems are chosen as a reference. In a second part, our research was concentrated on the development of IPN based on alginate and polyacrylamide which have demonstrated attractive properties for biomedical applications, especially their mechanical properties. Several formulations of biocompatible hydrogels were prepared and the influence of their composition on the interest properties is described. These hydrogels are characterized from a chemical point of view by FTIR spectroscopy and GC-MS chromatography, from themorphological point of view by SEM microscopy in order to prove the presence of co-continuous phases. The mechanicalproperties were also investigated. The differential scanning calorimetry (DSC) was used to determine and quantify theabsorbed water in its various thermodynamic states. The oxygen permeability was measured by polarographicelectrochemical method and relations between this parameter and gel swelling and structural properties discussed. Anotherpart of the project is computational simulation of hydrogel systems and its physico-chemical properties. Especially, wewere focused on modeling of various physic-chemical processes in hydrogels such as their swelling in water anddiffusion of gases molecules. We used molecular dynamics method (MD) with the COMPASS force field to be able tomodel polymer systems widely used in contact lens field.