Assemblages en solution de polymères, d'ions et de nanoparticules d'or : mécanisme de formation, caractérisation et applications

Assemblies in solution of polymers, ions and gold nanoparticles : assembly mechanism, characterization and applications

• Auteur / Autrice : Marjorie Yon
• Direction : Jean-Daniel Marty, Eliza-Diana Ciuculescu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Biologie - Santé
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• 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 : Fabien Delpech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Sanson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mona Tréguer-Delapierre, Nathalie Marcotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions métalliques

Colloïdes

Nanoparticules d'or

Mots clés libres

Ions métalliques

Polymères

Colloïdes hybrides

Assemblages

Nanoparticules d'or

Ions

Polymers

Hybrid colloids

Assemblies

Gold nanoparticles

Résumé

L'étude des assemblages à l'échelle moléculaire connaît aujourd'hui un essor grandissant. Les mécanismes impliqués dans la formation de ces assemblages, grandement inspirés de phénomènes issus de la nature, ont permis d'ouvrir les portes de nombreuses applications en biologie telle que l'imagerie médicale, la délivrance de principes actifs ou encore le traitement du cancer. Pour ces applications, ces assemblages doivent à la fois présenter une grande stabilité en milieu biologique et des propriétés compatibles avec le domaine visé. Ce travail porte ainsi sur l'étude de différents assemblages mettant en jeu des copolymères à blocs, des ions trivalents (Y3+, Gd3+, Eu3+) et des nanoparticules d'or. Nous avons tout d'abord montré que le poly(acide acrylique)-bloc-poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) (PAA-b-PVP) synthétisé par un procédé RAFT forme en présence d'ions trivalents tel que Y3+, Gd3+, Eu3+, des structures nanométriques. Ces assemblages possèdent une bonne stabilité colloïdale en solution aqueuse et une faible toxicité cellulaire in vitro. Les colloïdes à base de gadolinium ont en outre démontré de très bonnes performances en tant qu'agent de contraste pour l'imagerie IRM. Nous avons enfin montré que le PVP est un substitut du PEG à considérer pour la création d'assemblages à visée biologique. Dans un second temps, l'étude d'assemblages à base de nanoparticules d'or et d'ions a été engagée. Les interactions générées modifient les propriétés optiques des particules d'or, ce qui a conduit à la mise en œuvre facile et rapide d'un test colorimétrique. Ce test a permis la détection et quantification d'ions Gd3+ jusqu'à des concentrations de l'ordre du mM. Un contrôle systématique des échantillons dédiés à l'imagerie par IRM a pu ainsi être réalisée sans avoir recours à des techniques chronophages et très coûteuses. Enfin, les derniers travaux portent sur des assemblages supracolloïdaux dont la formation provient du caractère pH-sensible du PAA-b-PVP en solution. L'abaissement du pH d'une solution aqueuse de ce copolymère conduit à la formation d'objets sphériques par la mise en place de liaisons hydrogène entre les groupements "acide acrylique" (AA) et "vinyle pyrrolidone" (VP). La taille de ces objets dépend à la fois des caractéristiques propres au polymère (configuration, masse moléculaire) et de sa concentration en solution. En dépit de sa simplicité, ce type d'assemblage réversible présente la particularité de pouvoir piéger en son sein, là aussi de façon réversible, des NPs d'or initialement mises en présence du polymère. L'interaction forte entre la surface des NPs d'or et les fonctions VP du polymère sont ici la force motrice, induisant l'intégration des NPs d'or au sein des assemblages. Des tests préliminaires portant sur différents assemblages hybrides à base de copolymère PAA-b-PVP, d'ions de Gd3+ et de NPs d'or ont été initiés ouvrant ainsi des perspectives vers la construction des matériaux à propriétés originales.

Scientific research about assemblies at molecular scale knows now an expanding development. Indeed, the mechanisms involved into the formation of these assemblies are highly inspired from natural phenomenon. Therefore, the mimic of these assembly strategies at nanometer scale permit the access of many biological application fields such as imaging field, drug delivery or cancer treatment. For that purpose, assemblies targeting these applications, must at least present both obvious stability in biological medium and suitable properties for the chosen field. This present work is about the study of assemblies involving block copolymers, trivalent ions (Y3+, Gd3+, Eu3+) and gold nanoparticles. First, we showed that the poly(acrylic acid)-block-poly(N-vinyl-2-pyrrolidone) (PAA-b-PVP) polymer synthesized via a RAFT polymerization process, formed in presence of trivalent ions such as (Y3+, Gd3+, Eu3+) nanostructures. Latter assemblies displayed good colloidal stability in water and a low cytotoxicity in vitro. Besides, the gadolinium-based colloids revealed high performance as contrast agents for MRI imaging field. We demonstrated at the end that PVP offers a great opportunity to replace PEG into the design of assemblies for biological applications. Secondly, the study of assemblies involving gold nanoparticles and ions was explored. The resulting interactions modified the gold nanoparticles' optical properties, which lead to an easy and simple set up of a colorimetric test. This test allows the detection and quantification of Gd3+ ions in the range of mM concentrations. A systematic control of the samples prepared for MRI imaging was then realized without using time-consuming and expensive techniques. Finally, the investigations regarding supracolloidal assemblies based on the pH-responsiveness behavior of the PAA-b-PVP in solution were conducted. Lowering the pH of water solution of this copolymer induced the formation of spherical objects based on hydrogen bonds' creation between the acrylic acid (AA) and vinyl pyrrolidone (VP) functions. The final size of these objects depends on both polymer's initial characteristics (configuration, molecular weight) and on its concentration in solution. Despite its simplicity, this assembly process was proved to be reversible and showed the particularity to enable the reversible trap of gold NPs initially introduced in the polymer solution. Indeed, the strong interaction between gold NPS and VP functions represent here the driving force leading to the entrapment of the gold NPs into the assemblies. Preliminary tests were conducted onto hybrid assemblies of PAA-b-PVP, Gd3+ ions and gold NPs, opening then perspectives toward design of materials with original properties.