Nouveaux hydrogels physiques ultra-déformables dopés de cubosomes décorés par des argiles

New ultra-stretchable physical hydrogels doped with cubosomes decorated with clay

• Auteur / Autrice : Cécile Rerzki-Vérité
• Direction : Fabrice Cousin, François Muller, Filippo Ferdeghini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École centrale des techniciens de l'électronique (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Amiel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Hourdet, Fabienne Testard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Schmitt, Christophe Chassenieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argile

Interfaces cristallines

Hydrocolloïdes

Mots clés libres

Matériaux

Hydrogels physiques

Phases cristallines

Dispersions colloïdales

Délivrance contrôlée

Materials

Physical hydrogels

Crystalline phases

Colloidal dispersions

Controlled release

Résumé

De par leurs fortes teneur en eau et déformabilité, les hydrogels constituent un outil de choix pour concevoir des systèmes biocompatibles stimulables aux applications dans le domaine de la santé. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de développer de nouveaux hydrogels permettant une délivrance contrôlée de molécules induite par sollicitation mécanique externe. Pour ce faire, ces travaux proposent une nouvelle approche de formulation d’hydrogels basée sur l’utilisation de cubosomes, i.e. de phases cristallines cubiques de lipides. Elles sont stabilisées dans l’eau par des nanoplaquettes d’argile, sur lesquelles s’adsorbent les chaînes polymériques dans la phase aqueuse. Les nano-gouttelettes forment ainsi les nœuds permettant la réticulation physique de l’hydrogel, sans introduction d’aucun liant chimique covalent. Le travail comporte en deux grandes parties : (i) la caractérisation fine des mécanismes de stabilisation de l’émulsion de cubosomes par l’argile afin d’optimiser la synthèse de l’hydrogel et (ii) la formulation de l’hydrogel et la caractérisation de ses propriétés structurales et mécaniques. Les émulsions sont obtenues par ultrasonication de phytantriol (PT) pour le lipide, de nanoparticules discotiques de laponite (d’épaisseur 1 nm et de rayon 25 nm) et d’eau. Le diagramme de phase a été établi et tous les points ont été caractérisés de façon exhaustive par une approche multi techniques. Elle combine observations visuelles, conductivité, diffusion dynamique de la lumière (DLS), diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) avec variation de contraste. Un seuil de dispersion du PT a été déterminé macroscopiquement en fonction des concentrations de laponite et de PT, au-delà duquel une fraction du PT n’est pas stabilisée. La conductimétrie a quant à elle mis en évidence l’existence étonnante d’un second seuil de dispersion dans le système: la laponite s’adsorbe sur les gouttes de PT jusqu’à une concentration seuil indépendante de la concentration de lipide à disperser dans le milieu. Les données de DLS ont été analysées par un modèle qui distingue les contributions respectives des gouttes et de la laponite libre. Elles révèlent que la taille des gouttes de PT est constante sur tout le diagramme de phase, en accord avec le choix d’une énergie fixe donnée au système lors de l’étape d’ultrasonication. La détermination de la position des pics de Bragg associés à la phase cubique de symétrie Pn3m du PT par SAXS montre qu’elle est indépendante des concentrations en PT et en Laponite. Cela prouve que les laponites ne pénètrent pas les gouttes. La structure fine des émulsions a été obtenue par des expériences de de SANS, en éteignant successivement le signal du PT et celui des laponites. Un modèle de boules décorées de disques a été développé pour ajuster le signal de la laponite. La fraction déterminée de laponites adsorbées ou libres dans la solution est en très bon accord avec les mesures conductimétriques. Des hydrogels de polyacrylamide ont été synthétisés in situ à partir de ces émulsions avec une concentration élevée finale de polymère, autour de 10% en masse. Le protocole de polymérisation a été optimisé, en particulier l’ordre d’incorporation des initiateurs, et choisi de sorte à ce que les chaînes de polymère ne traversent pas les gouttes. Leur structure a été examinée au repos et sous étirement uniaxial par SANS. Ces gels purement physiques sont étirables au moins jusqu’à 1000% sans casse. La structure interne des gouttes est conservée lors de la synthèse ou de l’étirement. Sous étirement, sans se déformer, les gouttes se réorganisent au sein d’un réseau tridimensionnel très dense de chaînes à la taille de maille de quelques angströms. Enfin, les propriétés mécaniques des hydrogels dopés ont été évaluées par des expériences de rhéologie oscillatoire qui montrent que le module est relativement stable dans les gammes de concentration étudiées.

Because of their high content in water and deformability, hydrogels are especially sought after in the health field to conceive stimulable biocompatible systems. In this context, the goal of this thesis is to develop new hydrogels able to perform controlled-delivery of molecules when an external mechanical stimulus is applied. To this end, a new approach in hydrogel formulation is suggested. It involves the use of cubosomes, i.e. cubic liquid crystalline lipid phases. They are stabilized in water by clay nanoplatelets, on which are adsorbed polymer chains in the aqueous phase. The nano-droplets are thus acting as nodes for the network and allow physical crosslinking of the hydrogel without any use of a chemical crosslinker. This work is organized in two parts: (i) fine characterization of the stabilization mechanisms of the cubosome emulsion stabilized by clay in order to optimize the hydrogel synthesis and (ii) hydrogel formulation and characterization of its structural and mechanical properties. Emulsions are produced by ultrasonication of a system formed of phytantriol (PT) which is a lipid, and disk-shaped nanoparticles of laponite (with a 1 nm thickness and 25 nm radius). The phase diagram was established and all points of it were comprehensively characterized with a multi-technical approach. It combines visual observations, conductivity, dynamic light scattering (DLS), small-angle X-ray scattering (SAXS) and small-angle neutron scattering (SANS) with contrast variation. A dispersion threshold for PT was macroscopically identified depending on the concentrations of laponite and PT. Above it, a fraction of the PT in the sample is not stabilized. Moreover, conductimetry surprisingly highlighted the existence of a second dispersion threshold in the system. Indeed, laponite adsorbs onto the PT droplets up to a specific concentration which is independent of the lipid concentration that is to be dispersed in the aqueous medium. DLS was used to illustrate the consistency of the size of the PT droplets across the phase diagram. The data was analyzed with a model that differentiates the contributions of the droplets from the ones of free laponite. This is coherent with the constant energy given to the system during the ultrasonication step. SAXS measurements of the position of the Bragg peaks related to the cubic PT phase of Pn3m symmetry shows independence from the concentrations of PT and of laponite. This demonstrates that the laponites do not enter the droplets. The fine structure of the emulsions was obtained with SANS experiments, in which the signals of PT and laponite were successively put out. A model of spheres decorated with disks was developed to fit the signal of laponite. It led to the fraction of adsorbed or free laponites in solution, matching the conductimetry results very well. Polyacrylamide hydrogels were synthesized from these emulsions with a high final concentration of polymer, around 10 wt%. The synthesis protocol was optimized, especially the order of addition of the polymerization initiators. It was chosen so that the polymer chains would not go through the drops. The structure of the hydrogels was investigated at rest and under uniaxial stretching with SANS. These purely physical hydrogels are stretchable to at least 1000% without breaking. The internal liquid crystalline structure of the lipid drops is unmodified by the synthesis and stretching. The drops do not deform but are reorganized under stretching in a very dense tridimensional network of chains with a mesh size of a few angströms. Lastly, the mechanical properties of these reinforced hydrogels were assessed with oscillatory rheology measurements. The modulus is rather unchanged across the range of explored concentrations.