Synthèse et caractérisation d'un nouveau polymère nanogel thermoréactif OEGDA-MAA

Résumé

Les polymères stimulo-réactifs sont de plus en plus précieux dans les applications biomédicales et matériaux avancés. Ici, nous rapportons un polymère réticulé, poly(oligo(éthylène glycol) diacrylate-acide méthacrylique) (P(OEGDA-MAA)), préparé par polymérisation par précipitation. Le matériau affiche une température de transition de phase de volume (VPTT) de type température critique de solution inférieure (LCST) de 33 °C en milieu aqueux et une VPTT de type température critique de solution supérieure (UCST) de 43 °C dans l'éthanol, toutes deux à une concentration de 1 mg mL⁻¹. Les transitions sont hautement réglables en ajustant la concentration et le pH, offrant une plateforme polyvalente pour les systèmes réactifs biomédicaux et autres.

Contexte

Les polymères qui répondent à des déclencheurs externes tels que la température, le pH ou la force ionique sont pivots dans les actionneurs, l'administration de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Parmi eux, les polymères thermoréactifs avec un VPTT bien défini — communément appelés polymères LCST — ont attiré un intense intérêt de recherche. L'exemple prototypique, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM), montre un VPTT près de 32 °C, en faisant une référence pour les applications biomédicales. Cependant, PNIPAM souffre d'hystérésis, d'adsorption forte de protéines et de produits d'hydrolyse qui limitent son utilisation clinique.

Les polymères à base de polyéthylène glycol (PEG) offrent une alternative non-toxique, non-immunogène. Pourtant, le PEG lui-même n'est thermoréactif que sous haute température ou pression, incitant la conception de macromonomères OEG portant des groupes fonctionnels à une ou deux extrémités. Ces macromonomères sont polymérisés via des voies anioniques, cationiques, ATRP, RAFT ou NMP, permettant un contrôle fin sur le poids moléculaire, l'architecture et le ratio de comonomère. L'ajustement de ces paramètres règle le LCST/UCST des polymères OEG, comme documenté dans des revues récentes.

La plupart des polymères réactifs basés sur OEG sont en peigne, avec une squelette méthacrylate et des chaînes OEG pendantes. En contraste, le polymère rapporté ici, P(OEGDA-MAA), est un réseau réticulé formé par copolymérisation de diacrylate OEG (OEGDA) avec l'acide méthacrylique (MAA) via polymérisation par précipitation dans l'eau. Cette architecture produit un LCST distinct dans l'eau et un UCST dans l'éthanol, offrant une nouvelle classe de matériaux stimulo-réactifs avec une pertinence biomédicale potentielle.

Méthodes

Matériaux

OEGDA (Mn = 575) provenait d'Aladdin (Shanghai, Chine). MAA, purifié par traitement Al₂O₃ basique, était fourni par Tianjin Guangcheng Chemicals. Persulfate d'ammonium (APS) était acheté chez Tianjin Hedong Hongyan Chemicals. Membranes de dialyse (PMCO 3500) provenaient de Union Carbide Corporation.

Préparation du P(OEGDA-MAA)

Dans un ballon de 1 L, 0,8166 g OEGDA (1,43 mmol) et 0,1834 g MAA (2,11 mmol) ont été dissous dans 500 mL d'eau déionisée. Après purge à l'azote, APS 10 % en poids (300 µL) a été ajouté. La réaction a été scellée et chauffée à 70 °C pendant 4 h. La turbidité indiquait la précipitation du polymère. Au refroidissement, l'émulsion trouble s'éclaircissait. Une solution NaCl 2 M (pH 1,0) a été ajoutée pour induire la précipitation, suivie de centrifugation (10 000 tr/min), redispersion dans l'eau, et dialyse pendant 72 h pour éliminer le sel.

Caractérisation

RMN ¹H (400 MHz, Bruker) en DMSO-d₆ a confirmé la composition. La teneur en OEGDA a aussi été quantifiée par titration potentiométrique. La VPTT en dispersions aqueuses (pH 1,0, 150 mM NaCl) et éthanoliques a été déterminée en surveillant la transmittance à 565 nm en refroidissant de 70 °C à 10 °C. La diffusion de lumière dynamique (DLS, Malvern Nano-ZS) a mesuré la taille et la distribution des particules.

Résultats et Discussion

Analyse de Composition

L'intégration RMN ¹H des pics carboxylique (12,35 ppm) et ester (4,11 ppm) a donné une teneur en OEGDA de 40,9 mol %, correspondant au ratio d'alimentation et confirmant la copolymérisation complète (Éq. 1). La titration potentiométrique a donné 38,8 mol % OEGDA, corroborant le résultat RMN.

$$\text{[OEGDA]}(\%) = \frac{S_b/4}{S_a + S_b/4}$$

Morphologie

Les images MEB (Fig. 2) ont révélé des particules nanogel ~40 nm à l'état sec à partir de dispersions aqueuses. La dispersion à faible VPTT (< 33 °C) apparaissait transparente, confirmant un état pleinement gonflé. La DLS a mesuré un rayon hydrodynamique de ~12 nm à 70 °C, indiquant des particules hautement gonflées, isolées qui s'agrègent probablement pendant le séchage.

Dans l'éthanol, le même polymère formait des agrégats plus grands (Fig. 2b-c) due à l'interpénétration de chaînes hydrophiles au-dessus de la VPTT de type UCST. À des concentrations d'éthanol plus élevées, des films d'hydrogel continus émergeaient.

VPTT de Type LCST dans l'Eau

À 1 mg mL⁻¹, la VPTT était 33 °C à pH 1,0, décalant à 42 °C à pH 3 et disparaissant entièrement à pH 5. La dépendance au pH provient de la protonation des groupes carboxylates en dessous du pKa 4,8, permettant la liaison hydrogène avec les oxygènes éther. À pH élevé, l'ionisation induit une répulsion électrostatique, maintenant un état gonflé à travers la gamme de température.

La DLS (Fig. 4) a montré une augmentation graduelle de taille de 15 nm (10 °C) à 20 nm (25 °C), suivie d'un saut brutal à ~600 nm au-dessus de la VPTT, indiquant une agrégation induite par déshydratation.

VPTT de Type UCST dans l'Éthanol

Dans l'éthanol, le polymère restait transparent à 70 °C, mais la transmittance chutait à mesure que la température diminuait. À 1 mg mL⁻¹, la VPTT était 43 °C, avec une transition en deux étapes : déshydratation initiale des chaînes (augmentation de taille à ~7 nm) et agrégation subséquente (taille atteignant 150 nm à 40 °C, 270 nm à 25 °C). Le mécanisme miroir le comportement LCST mais dans la direction de température inverse (Fig. 6).

Mécanisme de Transition de Phase

Les transitions LCST et UCST impliquent un processus en deux étapes : (1) perte d'affinité au solvant menant à l'effondrement de chaîne, et (2) agrégation des nanogels effondrés. Le réseau réticulé OEGDA-MAA exhibe une dépendance à la concentration prononcée — la VPTT diminue de 33 °C (1 mg mL⁻¹) à 27 °C (5 mg mL⁻¹) — due à l'augmentation de la probabilité de contact interparticulaire.

Conclusions

Nous avons synthétisé un polymère OEG-MAA réticulé qui affiche à la fois une VPTT de type LCST dans l'eau (33 °C à 1 mg mL⁻¹, pH 1,0) et une VPTT de type UCST dans l'éthanol (43 °C). Les transitions sont réglables via la concentration et le pH, et la taille des particules évolue de manière prévisible à travers les transitions. Ces attributs positionnent P(OEGDA-MAA) comme un candidat prometteur pour les applications biomédicales thermoréactives.

Abréviations

APS :

Persulfate d'ammonium

ATRP :

Polymérisation radicalaire par transfert d'atome

DLS :

Diffusion de lumière dynamique

EG :

Éthylène glycol

LCST :

Température critique de solution inférieure

MAA :

Acide méthacrylique

OEG :

Oligo(éthylène glycol)

OEGDA :

Diacrylate d'oligo(éthylène glycol)

P(OEGDA-MAA) :

Poly(oligo(éthylène glycol) diacrylate-acide méthacrylique)

PEG :

Poly(éthylène glycol)

PNIPAM :

Poly(N-isopropylacrylamide)

POEGMA :

Poly[(oligo(éthylène glycol) éther méthacrylate]

RAFT :

Polymérisation par transfert de chaîne addition-fragmentation réversible

R_h :

Rayon hydrodynamique de particule

UCST :

Température critique de solution supérieure

VPTT :

Température de transition de phase de volume