Préparation de nanogels polymères thermosensibles d'oligo(éthylène glycol) diacrylate-acide méthacrylique et caractérisation de leurs propriétés

Contexte

Les polymères sensibles aux stimuli sont capables de répondre aux stimuli externes avec un changement considérable de leurs propriétés physico-chimiques [1,2,3]. Une grande variété de leurs applications, y compris les actionneurs, l'administration de médicaments, le transfert de gènes et la séparation de matériaux, ont été développées [4,5,6,7] grâce à cette réactivité. Parmi les stimuli externes courants, tels que la température, le pH, la force ionique, le champ électrique et les ultrasons, les polymères sensibles au changement de température, à savoir les polymères thermosensibles, ont reçu une grande attention pendant des décennies [1,2,3,4,5,6, 7,8,9], dont les polymères à température de transition de phase volumique (VPTT) ou à température critique de solution (LCST) inférieure, pour les polymères solubles non réticulés, ont été de loin les plus étudiés. Ceci est particulièrement vrai pour P(N -isopropylacrylamide), le PNIPAM, un polymère thermosensible largement étudié pour ses applications biomédicales potentielles [2, 9,10,11,12] en raison de son VPTT dans l'eau à environ 32 °C, proche de la température du corps humain.

Il est bien admis que les matériaux à base de PNIPAM ont une hystérésis discernable, ont de fortes interactions de liaison hydrogène avec des protéines et produisent des amines de faible poids moléculaire pendant l'hydrolyse. Toutes ces propriétés ont limité leurs applications dans le domaine des biotechnologies [13]. Récemment, une nouvelle famille de polymères (PEG) à base d'oligo(éthylène glycol) (OEG) aux propriétés thermosensibles a été développée [14,15,16,17]. Cependant, le PEG dans l'eau n'est thermosensible qu'à température élevée et sous pression [18], ce qui rend le PEG inadapté à de nombreuses applications. Pour élargir ses applications en tant que matériaux thermosensibles, la pratique courante consiste à attacher des groupes fonctionnels à l'un ou aux deux de ses terminaux OEG, créant un macromonomère OEG, qui est ensuite polymérisé par différents processus, notamment anionique [19], cationique [20] , polymérisation par transfert de groupe [21, 22] ; polymérisation radicalaire conventionnelle [23]; une variété de polymérisations vivantes à base de radicaux libres, y compris ATRP [24], RAFT [25, 26] et NMP [27] ; et divers autres processus de polymérisations [28, 29]. Il est maintenant bien connu que VPTT ou LCST des polymères à base d'OEG peuvent être ajustés en changeant les conditions expérimentales de leurs synthèses, afin de changer leurs structures, y compris par exemple le poids moléculaire, l'architecture et la longueur du segment EG, le rapport et la structure des comonomères, et la nature des groupes terminaux. Tous ces éléments ont été bien présentés dans des revues récentes [1, 17].

Il est à noter qu'une majorité absolue des études rapportées sur les polymères sensibles à base d'OEG a été préparée avec une extrémité du monomère OEG fonctionnalisée par (méth)acrylate tandis que l'autre extrémité est terminée par un éther. Les polymères ainsi préparés sont donc constitués d'un squelette de segments (méth)acryliques avec les chaînes OEG comme groupes pendants, ce qui fait du polymère OEG une chaîne en forme de peigne. Une autre caractéristique commune aux polymères à base d'OEG rapportés à ce jour est que ces polymères ont été préparés principalement par polymérisation d'un seul macromonomère OEG [19] ou copolymérisation de deux ou plusieurs macromonomères OEG de longueur ou de structure OEG différente [14,15, 16], non réticulé dans les deux cas. Contrairement à ce contexte, un nouveau type de polymère à base d'OEG, P(OEGDA-MAA), est préparé dans ce travail par copolymérisation de diacrylate d'oligo(éthylène glycol) (OEGDA) avec de l'acide méthacrylique (MAA), par polymérisation par précipitation dans l'eau. Le polymère ainsi formé est donc réticulé en raison de la structure diacrylate et s'avère thermosensible avec un VPTT dans l'eau, ce qui est similaire à la transition de phase de type LCST communément rapportée, alors que dans l'éthanol ce polymère démontre un VPTT de type UCST. Les deux VPTT dépendent étroitement de la concentration. Ces transitions de phase sont caractérisées en ce qui concerne la composition et la morphologie du polymère en dispersion à différentes concentrations. Ce travail fournit donc un nouveau type de polymère sensible aux stimuli avec un grand potentiel pour différentes applications, en particulier dans les domaines biomédicaux.

Méthodes

Matériaux

Le diacrylate d'oligo(éthylène glycol) (OEGDA, Mn  = 575) a été acheté chez Aladdin (Shanghai, Chine). L'acide méthacrylique (MAA) provenait de Tianjin Guangcheng Chemicals (Tianjin, Chine), avec des inhibiteurs éliminés en passant par Al₂ basique O₃ (Sinopharm Chemical Regent Co. Ltd., Shanghai, Chine). Le persulfate d'ammonium (APS) a été fourni par Tianjin Hedong Hongyan Chemicals (Tianjin, Chine). Les sacs de dialyse (MWCO 3500) provenaient de Union Carbide Corporation (Shanghai, Chine).

Préparation de P(OEGDA-MAA)

Le copolymère d'OEGDA et de MAA, P(OEGDA-MAA), a été préparé par polymérisation par précipitation dans l'eau. Pour un procédé typique, du MAA (0,1834 g, 2,11 mmol) et de l'OEGDA (0,8166 g, 1,43 mmol, rapport molaire OEGDA/MAA = 40/60) ont été ajoutés dans 500 mL d'eau déminéralisée pré-localisée dans un flacon en verre de 1 Capacité L. Après une purge à l'azote pour éliminer l'oxygène, une solution d'APS (10 % en poids, 300 μL) a été ajoutée. Le ballon a été rapidement scellé et placé dans un bain-marie à 70 °C pour démarrer la polymérisation pendant 4 h habituellement. Le contenu clair dans la bouteille est rapidement devenu trouble après l'initiation, indiquant la précipitation du polymère. À la fin de la polymérisation, le système réactionnel a été refroidi à température ambiante et le mélange trouble semblable à une émulsion s'est transformé en une dispersion de polymère limpide, à laquelle une certaine quantité de solution de NaCl (2 M) avec un pH de 1,0, pré- ajusté à l'aide d'acide chlorhydrique, a été ajouté. L'ajout de solution de NaCl a provoqué la précipitation du polymère, qui a été collecté par centrifugation à 10 000 tr/min, redispersé dans de l'eau et finalement dialysé contre de l'eau déminéralisée à température ambiante pendant 72 h pour éliminer le NaCl.

Caractérisation

¹ L'analyse RMN H des polymères a été réalisée sur un spectromètre RMN 400 MHz (Avance III, Bruker, Suisse) en utilisant du diméthylsulfoxyde-d ₆ (DMSO-d ₆ ) comme solvant. La morphologie du polymère séché a été observée en utilisant un microscope électronique à balayage (SEM, FEI Quanta Feg-250, US). La teneur en OEGDA du polymère a été déterminée par titrage potentiométrique comme décrit précédemment [30]. Une dispersion du polymère dans de l'eau déminéralisée (1,0 mg/mL) a été titrée à pH 11,5 avec une solution de NaOH calibrée d'environ 0,1 M. Le pH de la dispersion a été mesuré et enregistré avec un pH-mètre (Metrohm 808 Titrandio, Suisse). Le point d'équivalence a été utilisé pour déterminer la teneur en MAA dans le copolymère. Le VPTT de P(OEGDA-MAA) dans une dispersion gastrique (pH = 1,0, 150 mM NaCl) a été mesuré comme décrit précédemment [30]. Le VPTT de P(OEGDA-MAA) dans sa dispersion d'éthanol a été déterminé en suivant la transmittance de la dispersion par une lumière de 565 nm à l'aide d'un spectrophotomètre (UV3101PC, Shimadzu, Japon). La dispersion de polymère a d'abord été chauffée à 70 °C, au-dessus de la température de transition, équilibrée pendant 5 min, puis refroidie de 65 à 10 °C à un intervalle de 5 °C avec également un temps d'équilibre de 5 min à chaque température . La transmittance par rapport à la température a été enregistrée, et la température, à laquelle 50 % de la transmittance maximale a été atteinte, a été prise comme VPTT. La taille et la distribution de taille des hydrogels P(OEGDA-MAA) dans l'éthanol et dans l'eau ont été mesurées par diffusion dynamique de la lumière (DLS, Nano-ZS, Malvern Instruments, Royaume-Uni).

Résultats et discussion

Analyse de la composition de P(OEGDA-MAA)

Il est à noter que, dans les préparations rapportées de divers polymères thermosensibles à base d'OEG, une grande majorité des macromonomères OEG est fonctionnalisée à un seul terminal, et pour la plupart desquels le méthacrylate est utilisé comme groupes terminaux, tandis que pour les comonomères de faible poids moléculaire poids, une variété de (méth)acrylates et d'acrylamide sont utilisés et le MAA est rarement utilisé [3, 13, 14, 15, 16, 17]. Pour préparer un nouveau type de polymères thermosensibles à base d'OEG, un nouveau type d'OEG avec les deux terminaux fonctionnalisés avec de l'acrylate (OEGDA) a été copolymérisé dans de l'eau avec du MAA, également un monomère rarement utilisé (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S1). La polymérisation a été faite avec 40% d'OEGDA en moles. La composition du P(OEGDA-MAA) obtenu a été analysée par ¹ RMN H (Fig. 1). Les attributions des pics ont été effectuées sur la base de celles des monomères utilisés (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S2) et sur les polymères rapportés avec des structures similaires [31]. Le groupe des pics à déplacement chimique de 1,2 ppm ou zone inférieure a été attribué aux protons méthyle dans l'unité MAA dans le polymère ; le pic large et pointu à 2,0 ppm a été attribué aux protons de la chaîne principale constituée de segments MAA et acryliques, tandis que le groupe des grands pics apparaissant de 3,2 à 3,9 ppm a été attribué aux protons de l'éthylène du squelette. Les pics caractéristiques, à des déplacements chimiques de 12,35 et 4,11 ppm (Fig. 1) attribués au proton carboxylique de MAA (Ha) et aux protons d'ester oxyéthyléné (Hb) immédiatement adjacents aux unités acrylate, ont été utilisés pour estimer la composition de la copolymère. La teneur en OEGDA dans le copolymère P(OEGDA-MAA) a été calculée par Eq. 1 :

¹ Spectre RMN H de P(OEGDA-MAA)

où S _un est la surface intégrée du pic à 12,35 ppm représentant les protons carboxyliques et S _b est celle du pic à 4,11 ppm [30]. La teneur en OEGDA dans le copolymère a ainsi été obtenue à 40,9 % en moles. Cette même teneur en OEGDA a également été estimée par titrage potentiométrique (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S3), qui a donné 38,8 % mol pour la teneur en OEGDA. Par rapport au ratio des monomères utilisés pour la préparation du polymère (40 mol% d'OEGDA), on peut conclure que les deux monomères, OEGDA et MAA, ont été entièrement copolymérisés.

Morphologie de P(OEGDA-MAA)

Pour préparer la dispersion aqueuse de P(OEGDA-MAA), l'hydrogel polymère séché de quantité connue a été dispersé dans une quantité donnée d'eau à température ambiante, une dispersion limpide semblable à une solution a été obtenue en secouant simplement le flacon à la main, car ce a été fait en dessous du VPTT du polymère dans l'eau, appelé ci-après faible VPTT. Pour la dispersion de P(OEGDA-MAA) dans l'éthanol, une quantité connue du polymère a été ajoutée dans de l'éthanol de quantité connue dans une bouteille en verre à bouchon à vis, pré-placée dans un bain-marie à 70 °C sous agitation magnétique. Sous agitation douce, une dispersion quasi-claire s'est formée en 30 min à 1 h, en fonction de la concentration en polymère. Pour toutes les dispersions dans l'éthanol avec une concentration différente en polymère, elles ont été maintenues chauffées à 70 °C pendant 1 h afin d'obtenir le gonflement équilibré du polymère, suivi d'un refroidissement à température ambiante, ce qui a rendu les dispersions quasi claires troubles, puisque cette température ambiante était bien inférieure au VPTT du polymère dans l'éthanol. La dispersion aqueuse limpide et la suspension trouble dans l'éthanol du polymère ont été prélevées et déposées sur le support d'échantillon pour l'observation de la morphologie par MEB. Des images sélectionnées sont présentées sur la figure 2. On voit que des particules d'hydrogel de taille nanométrique, avec leur diamètre moyen en nombre d'environ 40 nm, ont été clairement observées pour l'échantillon préparé à partir de la dispersion aqueuse (1,0 mg/mL, figure 2a ). Il est à noter que la polymérisation a été réalisée à 70 °C, une température nettement supérieure au faible VPTT du polymère, dans lequel des particules de polymère se sont formées. Bien que le polymère formé ne soit pas soluble dans l'eau, ils doivent être très hydrophiles sachant qu'ils sont principalement constitués d'éthoxylate et d'acide méthacrylique. Compte tenu de cela, il est concevable que le polymère précipite dans une étape ultérieure de la polymérisation, comme il a été observé que la solution claire est devenue trouble environ 30 min après l'initiation, un temps beaucoup plus long que dans la polymérisation par précipitation conventionnelle [32, 33]. De plus, la concentration en monomère était très faible (0,2 % en poids) et le polymère formé, P(OEGDA-MAA), était réticulé. Tous ces éléments combinés, la formation de particules de nanogel de très petite taille, environ 40 nm à l'état sec, n'était pas surprenante. A température ambiante dans l'eau, soit en refroidissant le système de polymérisation à la fin de la polymérisation, soit en redispersant le polymère séché dans l'eau, on pense que ces particules d'hydrogel ne sont pas vraiment dissoutes au niveau moléculaire car le polymère a été réticulé, elles ont plutôt été largement gonflé par l'eau à un point tel que le système de polymérisation ressemblait à une véritable solution de polymère avec une transmittance de 100 % (Fig. 3). En effet, une granulométrie hydrodynamique (R _h , le rayon) d'environ 12 nm a été détecté dans ce système à la fin de la polymérisation par DLS (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4). Par rapport à la taille (diamètre, 40 nm) des particules à l'état sec (Fig. 2a), la taille DLS des particules d'hydrogel était encore plus petite, ce qui suggère que les particules d'hydrogel doivent s'être agrégées lors de l'évaporation de l'eau dans l'échantillon SEM. Ceci est facile à comprendre, puisque les particules d'hydrogel, avec 100% de transmittance dans sa dispersion aqueuse, doivent être largement gonflées, et des particules de taille beaucoup plus petite à leur état sec que la taille DLS étaient prévues si chacune d'elles avait été maintenue indépendante. et formé des particules solides lorsque le solvant a été éliminé. Sachant que le polymère réticulé était complètement gonflé, avec leurs extrémités de chaîne hydrophiles largement étendues dans la phase aqueuse environnante, leurs chaînes et extrémités hydrophiles devraient être interpénétrées dans une certaine mesure. Cela a rendu l'ensemble de la dispersion très homogène. La transmittance à 100 % de la dispersion était une indication de l'homogénéité. Dans ces circonstances, une certaine agrégation des particules d'hydrogel n'était pas inattendue avec l'évaporation de l'eau; cela devrait être en fait inévitable.

Images SEM de P(OEGDA-MAA) obtenues à partir de leur dispersion à température ambiante à différentes concentrations dans l'eau à 1 mg/mL (a ) et dans l'éthanol à 5 mg/mL (b ) et 10 mg/mL (c )

Dépendance de la transmission lumineuse de la dispersion P(OEGDA-MAA) (1,0 mg/mL, 150 mM NaCl) de la température à différents pH

Quant au mélange trouble de P(OEGDA-MAA) dans l'éthanol à température ambiante, l'échantillon a été préparé de la même manière, en le laissant tomber sur le support échantillon et la morphologie observée au MEB. Pour l'échantillon à une concentration de 5 mg/mL, il a été constaté que les nanoparticules, observées dans l'eau comme le montre la figure 2a, disparaissaient (figure 2b). Au lieu de cela, des granules agrégés du polymère hydrogel sont apparus, et la taille des granules était significativement plus grande que celle des particules obtenues à partir de leur dispersion dans l'eau (Fig. 2a). C'est une forte indication que le dégonflement était assez différent pour les deux types de dispersions.

Il est très probable que les chaînes polymères d'hydrogel étaient plus interpénétrées dans l'éthanol au-dessus du VPTT élevé du type UCST que dans l'eau en dessous du faible VPTT du type LCST. Ceci est très probable car l'éthanol est plus similaire au P(OEGDA-MAA) dans la structure et l'hydrophilie. En refroidissant à température ambiante, les nanoparticules d'origine des polymères hydrogels, formées lors de leur synthèse et largement gonflées au-dessus de ce haut VPTT de type UCST, se sont collées et les granules ou leur agrégation ont donc été observés. À une concentration plus élevée (10 mg/mL, Fig. 2c) dans l'éthanol, il a semblé que les chaînes polymères d'hydrogel étaient davantage interpénétrées qu'un film d'hydrogel continu s'était formé, avec de petits granules dispersés de manière aléatoire.

Faible VPTT de l'hydrogel P(OEGDA-MAA) dans l'eau

Ce polymère, P(OEGDA-MAA) tel que synthétisé ci-dessus, était thermoréactif (Fig. 3), et la réactivité dépendait également étroitement du pH. Un VPTT de 33 °C a été détecté dans l'eau à une concentration de 1 mg/mL et à pH 1,0, et ce VPTT est passé à une température plus élevée à 42 °C à pH 3, une augmentation évidente avec l'augmentation du pH. Avec un pH encore augmenté à 5, le polymère n'a montré aucun changement dans le facteur de transmission de la lumière, c'est-à-dire que le VPTT a disparu. Ces observations suggèrent que la présence d'ions hydrogène était nécessaire pour que le polymère hydrogel soit thermoréactif, ce qui est assez différent de la plupart des matériaux réactifs à base d'OEG préparés avec des monomères sans acide carboxylique, qui restent réactifs à pH =  7 ou plus [34] . Il est connu qu'un polymère sensible est solubilisé, ou gonflé s'il est réticulé, à température ambiante par différentes interactions entre leurs chaînes et les molécules d'eau, c'est-à-dire que leur comportement VPTT peut être considéré comme la conséquence de la compétition entre les interactions polymère-eau hydrophiles et hydrophobes. interactions polymère-polymère [1, 2, 7, 16, 35]. En dessous de ce VPTT, les interactions entre la partie hydrophile du polymère et l'eau sont favorisées, les molécules d'eau sont disposées autour des chaînes polymères, établissant des liaisons hydrogène avec les segments hydrophiles EG, conduisant à la solubilisation du polymère s'il est linéaire et gonflant lorsqu'il est réticulé, alors qu'au-dessus du VPTT , cette interaction eau-polymère est réduite, de manière synchrone avec des interactions accrues entre les polymères hydrophobes eux-mêmes, conduisant à la déshydratation des chaînes polymères et à leur auto-agrégation. Pour la plupart des polymères à base d'OEG sans fraction carboxylique, il n'y a pas de donneur de liaison hydrogène fort dans leurs chaînes mais de faibles interactions de van der Waals. La dépendance du VPTT au pH est relativement modérée. Cependant, la situation est radicalement modifiée lorsque des groupes carboxyliques sont incorporés dans les chaînes polymères, comme dans le cas présent pour P(OEGDA-MAA). A basse température (< VPTT) combinée à un pH bas, inférieur au pKa (4,8) de l'acide carboxylique [1, 3], les groupements carboxyliques sont protonés et ils peuvent jouer le rôle de donneur de protons à l'oxygène éther du polymère pour former liaison hydrogène, et une telle complexation entraîne une sorte de rétrécissement de l'hydrogel car l'interaction des molécules d'eau avec les chaînes polymères est réduite de cette façon, bien que les chaînes polymères restent hydratées et que le polymère semble solubilisé avec une transmittance élevée. À pH élevé, les groupes carboxyle s'ionisent, entraînant une répulsion électrostatique parmi les chaînes polymères chargées négativement. Cette répulsion est beaucoup plus grande que toutes les interactions qui peuvent être obtenues par les chaînes polymères non électrolytiques entre elles ou avec l'eau, c'est-à-dire van der Waals et les liaisons hydrogène, et rend les chaînes polymères à leur état le plus étendu possible :une pleine la dissolution est obtenue pour les polymères non réticulés, et les chaînes sont largement allongées avec le polymère largement gonflé pour ceux chimiquement réticulés [3]. Dans la Fig. 3 à pH 5, la disparition du VPTT était le cas où un grand nombre de chaînes polymères étaient ionisées, ce qui générait par conséquent une répulsion entre les chaînes polymères, les faisant rester gonflées même à une température plus élevée, sans l'effondrement état observé. A un pH inférieur (pH 3 par exemple), il y avait moins de groupes carboxyliques ionisés sur une même chaîne polymère, qui était moins étendue à une température donnée; les interactions des chaînes polymères non électrolytiques, telles que van der Waals et les liaisons hydrogène, gagnaient en importance, et un VPTT retardé a donc été détecté à une température plus élevée. Évidemment, plus le pH est bas; le plus bas est le VPTT, comme observé sur la figure 3. De plus, cela n'est vrai que pour les chaînes polymères qui deviennent chargées négativement à pH élevé. Pour les polymères qui deviennent cationiques à pH élevé (ceux à groupements amines par exemple), c'est l'inverse :le VPTT apparaît à pH plus élevé, et il disparaît à pH plus bas [3, 36].

Cette transition VPTT a été bien démontrée par la variation de taille des particules d'hydrogel, déterminée par DLS à différentes températures (Fig. 4) sur une dispersion aqueuse de P(OEGDA-MAA) à une concentration de 1 mg/mL et pH 1,0. À une température inférieure au VPTT (33 °C), de très petites particules ont été détectées. La taille était en augmentation lente et continue avec l'augmentation de la température, d'environ 15 nm à 10 °C à environ 20 nm à 25°C. Une augmentation brutale de la taille des particules a été détectée avec l'augmentation de la température à travers le VPTT, un diamètre des particules d'environ 600 nm a été détecté à 35 °C, juste au-dessus du VPTT (33 °C) ; une fois que la température a dépassé le VPTT, une autre augmentation lente et progressive de la taille des hydrogels polymères dispersés a été observée. Il était bien évident que les tailles détectées ici, environ 600 nm à 35 °C et 1 100 nm à 60 °C, étaient celles des particules d'hydrogel agrégées, en comparaison avec celles obtenues en dessous du VPTT. La figure 4 a révélé que la déshydratation du polymère thermosensible a commencé beaucoup plus tôt avant le VPTT ; c'est au VPTT ou dans une plage de température très proche de celui-ci que la déshydratation a été largement accélérée, ce qui a favorisé le rétrécissement et l'agrégation des particules en raison de la déshydratation, et qu'une forte diminution de la transmittance a été détectée, comme le montre la figure 3 La variation de taille des particules d'hydrogel indiquait également que l'agrégation provoquée par la déshydratation des particules d'hydrogel se développait encore après le VPTT ; il n'était pas détectable simplement par la transmission de la lumière car la diminution de la transmission était ainsi assez minime par rapport à l'opacité élevée à cet état.

Diamètre de l'hydrogel P(OEGDA-MAA) thermosensible en dispersion aqueuse (1 mg/mL, pH 1,0) à différentes températures

Outre la dépendance de la réactivité au pH, comme le montre la figure 3, le comportement thermoréactif du matériau est également étroitement lié à la force ionique, à la concentration et à la vitesse de chauffage/refroidissement. Il a été montré par différents auteurs que le VPTT des polymères à base d'OEG est plutôt insensible à la concentration [14, 37]. Cependant, Wu et al. ont rapporté, dans une étude sur un copolymère de méthacrylate de 2-(2-méthoxyéthoxy)éthyle avec l'oligo(éthylène glycol) méthyl éther méthacrylate, qu'une légère différence a été observée et attribuée vraisemblablement à une concentration plus élevée (10 % en poids) que dans d'autres études [16]. L'influence de la concentration de polymère sur le VPTT a été brièvement étudiée, la concentration variant de 1,0 à 5,0 mg/mL (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S5). Il a été constaté que, en comparaison avec le VPTT observé à 33 °C pour l'hydrogel à une concentration de 1,0 mg/mL, le VPTT a été déplacé à une température inférieure de 29 °C à une concentration de 2,0 mg/mL, et à un autre température inférieure d'environ 27 °C avec une concentration augmentée à 5,0 mg/mL. Ceci est simplement dû à l'effet de concentration du copolymère. Dans le présent procédé de chauffage, bien en dessous du VPTT, toutes ou la plupart des chaînes polymères étaient indépendamment et largement gonflées dans leur dispersion; autour du VPTT, ils ont commencé à s'agréger, et après VPTT, tous les polymères ont été agrégés pour former une suspension hétérogène des polymères dans le solvant (l'eau dans le cas présent), conduisant à 0% de transmission lumineuse. VPTT est l'indication du moment où les chaînes polymères commencent à s'agréger massivement. Il est facile de concevoir que les chaînes polymères se rencontrent facilement pour s'agréger dans une dispersion de concentration plus élevée, et un temps plus court est nécessaire pour avoir une réduction de transmittance équivalente à celle d'une dispersion diluée.

VPTT d'hydrogel P(OEGDA-MAA) dans l'éthanol

Contrairement au VPTT de type LCST, les études sur les polymères avec UCST ou VPTT de type UCST ont été rapportées à un degré beaucoup moindre [38]. Polysulfobétaïne [39] et poly(N -acrylolyglyciamide) [40,41,42] sont les polymères rapportés avec l'UCST dans l'eau, tandis que le polyacrylamide [43] et le poly(acétoacétoxyéthyl méthacrylate) [44] présentent des UCST dans un mélange binaire de solvants éthanol/eau. Roth et al. a démontré que le poly[oligo(éthylène glycol) méthyl éther méthacrylate], (POEGMA), présentait des UCST dans une grande variété d'alcools aliphatiques et que la température de transition de phase UCST dépendait de la structure, du poids moléculaire et de la concentration de POEGMA, comme ainsi que le solvant, les co-solvants [45]. Il a également été rapporté que le P(NIPAM) présentait un comportement UCST dans un mélange éthanol/eau [46].

A la différence du test sur les VPTT de type LCST dans l'eau, l'étude des VPTT de type UCST, de ce matériau, a été menée dans l'éthanol. La transmission a été enregistrée de 70 °C à 15 °C avec un temps d'équilibre de 5 min à chaque température (Fig. 5). Lorsque la température était de 70 °C ou plus, la dispersion hydrogel-éthanol était homogène et transparente, avec une transmittance de 100 % pour tous les échantillons, à l'exception de celui à la concentration la plus élevée de 30 mg/mL, dont la transmittance était environ 95%. Nous pensons qu'une transmission de 100 % serait atteinte avec un temps d'équilibre prolongé. Cette transmittance élevée était une indication que le polymère hydrogel était largement gonflé et que la dispersion ressemblait à une solution authentique. Avec la diminution de la température, une diminution de la transmittance a été observée pour tous les échantillons et était clairement liée à la concentration. Avec une température réduite à 60 °C, la transmittance est restée à 100 % pour les deux échantillons avec une concentration plus faible (1 et 2 mg/mL), et une diminution perceptible de la transmittance n'a été observée que lorsque la température est descendue en dessous de 60 °C, alors que pour les trois échantillons avec une concentration plus élevée (5, 10 et 30 mg/mL), une diminution évidente de la transmittance a été détectée à partir de 70 °C, et la diminution était plus significative pour l'échantillon de concentration plus élevée. À 60 °C, la transmittance des échantillons est tombée à 87, 80 et 70 %, respectivement, strictement dans l'ordre de leur concentration de faible à élevée. C'était exactement le même que celui observé dans le faible VPTT dans l'eau, et facilement compréhensible par l'effet de concentration. La seule différence était qu'il s'agissait ici d'éthanol au lieu d'eau, et en abaissant la température, les interactions intra- et intermoléculaires des polymères hydrogels sont devenues plus importantes, ces interactions ont dépassé celles entre le polymère et l'éthanol. Les molécules d'éthanol associées aux chaînes polymères au-dessus du VPTT ont été progressivement dissociées lorsque la température diminuait et les chaînes polymères ont commencé à s'auto-agréger lorsque la température était proche du VPTT, entraînant une diminution de la transmission de la lumière, comme le montre la figure 5.

Transmission de P(OEGDA-MAA) dans l'éthanol avec différentes concentrations. Les encarts sont les images optiques des hydrogels dans l'éthanol (1 mg/mL) à 25 et 60 °C, respectivement

Mécanisme de transition de phase

Pour mieux comprendre le mécanisme de ce VPTT de type UCST, la taille des particules d'hydrogel à une concentration de 1 mg/mL a été mesurée dans le processus de refroidissement à différentes températures (temps) à l'aide du DLS, exactement comme cela a été fait pour le VPTT de type LCST. Les résultats sont illustrés à la Fig. 6. Une très petite taille de particule, d'environ 8 nm de rayon (R _h ), a été obtenu à 60 °C, bien que l'échantillon paraisse homogène et transparent. La petite taille des particules d'hydrogel était en accord avec la taille du nanogel dans l'eau en dessous de ce faible VPTT à 10 °C (diamètre de 15 nm, Fig. 4), ce qui peut indiquer que l'hydrogel réticulé a été largement gonflé à un état semblable à celui d'être dissous individuellement à un niveau moléculaire à une concentration aussi faible, et les extrémités de chaîne hydrophiles (principalement des groupes carboxyliques) complètement étendues vers le solvant environnant ; l'ensemble du système était en effet homogène et paraissait parfaitement transparent. Compte tenu de la quantité de MAA utilisée (60 mol%) et de sa forte solubilité dans l'eau, il n'est pas exclu que certains segments de chaîne, et notamment des bouts de chaînes constitués uniquement de MAA, soient bien présents dans les polymères. These chain ends would be the most exposed towards the surrounding solvent in their fully swelled state, i.e., towards water below the LCST-type VPTT and towards ethanol above the UCST-type VPTT. Owing to the limited number of the hydrophilic chain ends and their high hydration, the size of the hydrogel particles detected might be only the size of the crosslinked core, as shown by the encircled area in Fig. 7. In fact, hydrogel particles with their R _h around 10 nm, determined by DLS, were often reported. Diverse examples are available, such as polyacrylamide above its UCST in aqueous alcohol solutions [43] and 4-propoxyazobenzene-terminated PNIPAM in aqueous solution below its LCST [47]. And R _h as small as 2 to 3 nm was reported for an OEG-based responsive polymer below its LCST [48]. For the present polymer, by decreasing the temperature from 60 to 45 °C, very close to the VPTT, the R _h of the hydrogel particle size slightly increased to about 7 nm. This increase might be caused by the collapse of the hydrophilic chain ends, which were extended into ethanol at temperature above the UCST-type VPTT as discussed above. At this stage, the crosslinked core of the hydrogel particles was largely shrunk because the ethanol molecules were squeezed out of the polymer inner, owing to a decrease in the interaction of the polymer chains with ethanol molecules by decreasing the temperature, accompanied by an increase in the interaction of the polymer chains between themselves. By further decreasing the temperature to 40 °C just across the UCST (43 °C), the radius of the hydrogel particles abruptly increased to a significantly large size of 150 nm, very similarly to what observed for the aqueous dispersion shown in Fig. 4 when the temperature was increased across the LCST-type VPTT. This size here is no more that of a single crosslinked nanogel as above but rather that of the aggregate of the nanogel particles, as illustrated in Fig. 7. The radius of the particle aggregates further grew to 270 nm with the temperature further decreased to 25 °C. This suggests that, before reaching the UCST-type VPTT, the transmittance decrease was due to mainly the change in polymer chain conformation, i.e., the hydrophilic chains (ethylene oxide segments, and particularly carboxylic groups) were changed from their full extension in the solvent to coils on the surface of the individual hydrogel polymer particles with a crosslinked core for each, whereas the transmittance decrease around the VPTT was caused by self-aggregation of the nanogel particles (unimers), in accordance with further disassociation of ethanol molecules from the polymer chains. This has been named as a two-step process including dehydration of the particles (unimers) and their aggregation [16, 35, 37, 49]. In characterization of LCST or VPTT by varying temperature, the disassociation of the hydrophilic chains from the solvent molecules leads to the formation of a core-shell structure, with the hydrophobic polymer chains as the core and the dehydrated chains as the shell, this mechanism is also described as formation of core-shell micelles followed by their aggregation [16, 37]. A schematic illustration is given in Fig. 7 for this mechanism.

Diameter of P(OEGDA-MAA) hydrogels in ethanol (1 mg/mL) at different temperature

Schematic illustration of the VPTT mechanism for the UCST-type VPTT of P(OEGDA-MAA) in ethanol

Conclusions

A novel responsive polymer based on OEG, P(OEGDA-MAA), is prepared through precipitation copolymerization of OEGDA with MAA. The polymer prepared with 40 mol% of OEGDA was chemically crosslinked and showed a distinct LCST-type VPTT of 33 °C in water at pH 1.0 and concentration of 1.0 mg/mL. This VPTT was closely concentration and pH dependent. It shifted towards lower temperature with increased concentration, whereas a shift towards higher temperature was observed with increased pH, and the VPTT completely disappeared at pH 5. This same polymer exhibited also a UCST-type VPTT in ethanol at 43 °C, which was equally concentration dependent. The size evolution of the hydrogel particles versus temperature was measured for the two types of dispersions across their VPTT. For the LCST-type VPTT in water, a slight size increase was detected with increased temperature as long as the temperature was below this VPTT; and a dramatic size increase was observed once the temperature was increased to above this LCST-type VPTT. For the UCST-type VPTT in ethanol, the opposite was observed, i.e., a slight size increase with decreased temperature as long as the temperature was above this VPTT, and a dramatic size increase once the temperature was lowered below the UCST-type VPTT. These results suggest that the responsiveness of the polymer follows a two-step process, including a transition of polymer chain conformation from extended status to coil-form due to the dehydration of the hydrophilic chains from the largely swelled state, followed by an aggregation of the individual particles. This work provides therefore a novel type of candidate materials for potential applications in biomedical fields.

Abréviations

APS:

Ammonium persulfate

ATRP:

Atom transfer radical polymerization

DLS :

Diffusion dynamique de la lumière

EG:

Ethylene glycol

LCST:

Lower critical solution temperature

MAA:

Methacrylic acid

OEG:

Oligo(ethylene glycol)

OEGDA:

Oligo(ethylene glycol) diacrylate

P(OEGDA-MAA):

Poly(oligo(ethylene glycol) diacrylate-methacrylic acid)

PEG :

Poly(ethylene glycol)

PNIPAM:

P(N -isopropylacrylamide)

POEGMA:

Poly[(oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate]

RAFT:

Reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization

R _h :

Hydrodynamic particle radius

UCST:

Upper critical solution temperature

VPTT:

Volume phase transition temperature