Copolymères multi-stimulables : effet de la composition et de la structure sur leurs propriétés en solution aqueuse

Multi-responsive copolymers : effect of composition and-or structure on their properties in water

• Auteur / Autrice : Fang Yin
• Direction : Nancy Lauth de Viguerie, Jean-Daniel Marty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie macromoléculaire et supramoléculaire
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie des colloïdes, polymères & assemblages complexes (Toulouse ; 2023-....)
• Jury : Président / Présidente : Rinaldo Poli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nancy Lauth de Viguerie, Jean-Daniel Marty, Simon Harrisson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Woisel, Didier Gigmes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules d'or

Colloïdes

Copolymères

Mots clés libres

Polymères stimulables

Polymères sensibles au pH

Polymères sensibles à la température

Colloïdes

Gels

Nanoparticules d'or

Stimuli-responsive polymers

PH-responsive polymers

Thermo-responsive polymers

Colloids

Gels

Gold nanoparticles

Résumé

Les polymères stimulables suscitent ces dernières années un fort intérêt en raison de leur capacité à répondre macroscopiquement, rapidement et réversiblement à des modifications de leur environnement local, ouvrant la voie à de multiples applications (libération contrôlée de médicaments, interfaces modifiables…). L’objectif de ce travail de thèse est d'étudier l'effet de la composition, de la masse molaire, de l'architecture, de la concentration de copolymères sur leurs transformations en solution aqueuse déclenchées par un changement de température et/ou de pH (modifié d'une part par addition de base/acide ou de CO2/N2). Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes intéressés à trois familles de copolymères à blocs ou statistiques porteurs de fonctions dont les états sont modulés par des changements de température ou de pH : (1) des copolymères thermosensibles poly((N-vinyl caprolactam)-stat-(N-vinylpyrrolidone)) (P(VCL-stat-VP)), (2) des copolymères thermosensibles poly((n-butylacrylate)-co-(N-isopropylacrylamide)) (P(BA-co-NIPAM)) de différentes structures et compositions (dibloc, tribloc et statistiques) et (3) des copolymères sensibles aux deux stimuli (pH et température) poly((N-isopropylacrylamide)-block-(N-,N-diethylamino ethyl acrylamide)) (PNIPAM-b-PDEAEAM). Sont présentées dans le manuscrit, leurs synthèses, réalisées par polymérisation RAFT ainsi que leurs réponses aux stimuli qui se manifestent par des modifications drastiques des paramètres macromoléculaires tels que la conformation des chaines en solution, l’hydrophilie et/ou la charge des groupements répartis le long de la chaîne polymère. Ces modifications induisent des modulations de solubilité dans l’eau qui peuvent se traduire par la formation d’objets auto-assemblés ou de gel. Le chapitre I présente tout d’abord un état de l’art concernant les polymères sensibles à des changements de température et/ou de pH/CO2. La stabilisation de solutions colloïdales de nanoparticules d’or par les copolymères P(VCL-stat-VP) de différentes compositions est l’objet du chapitre II. Les propriétés catalytiques de ces nanohybrides sont étudiées sur la réaction de réduction du p-nitrophénol en p-aminophénol en présence de borohydrure de sodium. Dans le chapitre III a été étudié et comparé le comportement en solution diluée puis concentrée des P(BA-co-NIPAM) de différentes morphologies (statistiques, diblocs et triblocs) en fonction de la température. Cette étude a mis en évidence l’influence de la composition et de la morphologie sur les phénomènes de transition observés en solution et sur la structure des hydrogels formés. Enfin dans les chapitres IV et V sont détaillées les résultats de l’étude du comportement du PNIPAM-b-PDEAEAM de différentes compositions en fonction du pH, respectivement par addition d’acide ou de base et par barbotage de CO2 ou N2. Sont étudiées les modifications des valeurs de températures de trouble induites par des changements de pH ainsi que les différentes caractéristiques des objets formés. Ces changements sont liés aux modifications des conformations des chaînes de polymères et des interactions entre les chaînes de polymères et l’eau au niveau moléculaire.

Stimulable polymers have attracted a lot of interest in recent years due to their ability to respond macroscopically, rapidly and reversibly to changes in their local environment, opening the way to multiple promising applications (controlled drug release, modifiable interfaces...). The objective of this thesis is to study the effect of composition, molar mass, architecture, concentration of copolymers on their transformations in aqueous solution triggered by a change of temperature and/or pH (modified by addition of base/acid or by bubbling CO2/N2). In this thesis, we are interested in three families of block or random copolymers carrying functions whose states are modulated by temperature or pH changes: (1) thermosensitive poly((N-vinyl caprolactam)-stat-(N-vinylpyrrolidone)) (P(VCL-stat-VP)) copolymers, (2) thermosensitive poly((n-butylacrylate)-co-(N-isopropylacrylamide)) (P(BA-co-NIPAM)) copolymers with different structures and compositions (diblock, triblock and random) and (3) copolymers sensitive to both stimuli (temperature and pH/CO2): poly((N-isopropylacrylamide)-block-(N-,N-diethylamino ethyl acrylamide)) (PNIPAM-b-PDEAEAM). Their syntheses, carried out by RAFT polymerization, are presented in the manuscript. In addition, we studied the response induced by stimuli on macromolecular parameters of these (co)polymers in water such as the conformation of the chains in solution, the modification of hydrophilicity and/or the ionic charge distributed along the (co)polymer chain. These modifications resulted in the modulations of solubility and influenced the formation of self-assemblies or hydrogels. Thus, after an introduction on the state of the art on stimulable polymers under stimuli of temperature, pH and CO2, the stabilization of colloidal solutions of gold nanoparticles by P(VCL-stat-VP) copolymers with different compositions was the subject of chapter II. The catalytic properties of nanohybrids on the reduction by sodium borohydride of p-nitrophenol to p-aminophenol was studied. The behavior of P(BA-co-NIPAM) with different morphologies (statistical, diblock and triblock) in dilute and concentrated solution under temperature changes was studied and compared in chapter III. This enables to highlight the modification of molecular interactions near critical temperatures. The densities of the formed hydrogels were also compared and a higher density in the case of triblock structures was evidenced. The behavior of PNIPAM-b-PDEAEAM with different compositions in water under change of pH by addition of acid or base and by bubbling CO2/N2 was detailed presented in chapters IV and V respectively. The modifications of the cloud points induced by pH changes as well as the different characteristics of the objects formed were studied. These changes are related to the modifications of the conformations of the (co)polymer chains and the interactions between polymer chains and water at the molecular level.