Synthèse verte rapide de micelles de copolymères PDMAEMA-Ag à architecture étoilée avec efficacité antibactérienne in vitro améliorée

Résumé

Des micelles polymères bien définies avec une architecture cœur-écorce servent de plateforme efficace pour stabiliser les nanoparticules d'argent (AgNP) et délivrer des agents antimicrobiens. Cette étude présente une synthèse rationnelle, verte et évolutive de micelles de copolymères décorées d'AgNP basées sur le poly(2-diméthylamino-éthyl méthacrylate) (PDMAEMA) et évalue leurs propriétés physicochimiques et antibactériennes. Deux topologies de copolymères — linéaire et étoile à quatre bras — ont été préparées avec des poids moléculaires et degrés de polymérisation identiques. Les groupes amine tertiaires du PDMAEMA coordonnent simultanément Ag⁺ et le réduisent in situ, tandis que les écorces hydrophiles PHEMA et PEGMA fournissent une stabilisation stérique en milieu aqueux. La modélisation computationnelle et la caractérisation expérimentale (UV-Vis, TEM, DLS, FTIR, XRD) ont confirmé que les deux architectures produisent des AgNP monodisperses et sphériques. Les micelles étoilées ont produit des particules plus petites, une stabilité colloïdale supérieure et une puissance antibactérienne plus élevée contre Escherichia coli DH5α comparé aux micelles linéaires. Les essais de cytotoxicité avec des cellules HepG2 ont montré >90 % de viabilité à des concentrations jusqu'à 400 µg mL⁻¹, indiquant une bonne biocompatibilité. Ces résultats démontrent une approche polyvalente en une seule étape pour fabriquer des micelles chargées d'argent à topologie ajustée avec un potentiel pour applications antibactériennes à large spectre.

Introduction

Les antimicrobiens traditionnels sont de plus en plus mis au défi par l'émergence rapide de pathogènes multirésistants, une menace classée parmi les trois premières par l'Organisation Mondiale de la Santé [1–5]. Les nanoparticules d'argent (AgNP) sont longtemps prisées pour leur activité à large spectre, faible toxicité mammalienne et propension limitée à induire la résistance [6–10]. Leur mécanisme antimicrobien implique la disruption de membrane, la dénaturation des protéines intracellulaires et l'interférence avec la réplication de l'ADN [11–13]. Cependant, l'énergie de surface élevée des AgNP entraîne l'agrégation, sapant leur efficacité et stabilité. L'encapsulation dans des matrices polymères — surtout les micelles — offre une solution pratique en fournissant une entrave stérique et une libération contrôlée [14–19]. Les stratégies de stabilisation courantes reposent sur des réducteurs externes (ex: NaBH₄, acide ascorbique) qui introduisent des sous-produits toxiques et compliquent la purification [20–25]. En contraste, les polymères riches en amines peuvent simultanément coordonner Ag⁺ et le réduire in situ, obviant les agents réducteurs externes [26]. Pourtant, l'influence de la topologie polymère sur la nucléation, la croissance et la performance antibactérienne des AgNP reste sous-explorée, particulièrement pour les architectures étoilées qui peuvent offrir un blindage stérique accru. Ce travail comble cette lacune en développant des micelles de copolymères triblocs PDMAEMA linéaires et étoile à quatre bras, évaluant leur capacité à générer des AgNP monodisperses in situ, et évaluant l'activité antibactérienne et la cytocompatibilité.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Tous les réactifs ont été utilisés tels que reçus sauf mention contraire. Les monomères clés incluaient DMAEMA (>98 %), HEMA (99 %) et PEGMA (Mn = 300 Da, 99 %) (Aldrich). Le pentaérythritol, EBiB et BIBB ont été purifiés par chromatographie sur colonne d'alumine. Le nitrate d'argent (AgNO₃, 99,9 %) a été utilisé comme source d'Ag⁺.

Caractérisation générale et instrumentation

Les spectres RMN ¹H ont été enregistrés sur un spectromètre Bruker 400 MHz en CDCl₃ ou D₂O à 25 °C. Les spectres FTIR ont été obtenus avec un spectrophotomètre Nicolet Nexus (4000–400 cm⁻¹, 32 scans, résolution 8 cm⁻¹). Les potentiels zêta ont été mesurés sur un Malvern Zetasizer Nano S. Les images MET ont été acquises sur un FEI Tecnai-G20 (200 kV). Les spectres UV-Vis ont été enregistrés sur un Shimadzu UV-2450. L'analyse thermogravimétrique (TGA) a employé un NETZSCH STA409PC sous azote (25–600 °C, 10 °C min⁻¹).

Synthèse du PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA

La polymérisation a été réalisée via ARGET ATRP dans le toluène (70 °C) avec CuBr₂/HMTETA comme catalyseur, Sn(Oct)₂ comme agent réducteur et EBiB comme initiateur. DMAEMA, HEMA et PEGMA ont été polymérisés séquentiellement pour produire un copolymère tribloc avec Mn ≈ 19 kDa (DMAEMA), 12 kDa (PHEMA) et 25 kDa (PPEGMA). Le produit a été précipité dans l'hexane froid, filtré et séché sous vide (48 h, 35 °C).

Synthèse du (PDMAEMA-b-PHEMA-b-PPEGMA)₄

Un initiateur étoile à quatre bras a été préparé par estérification du pentaérythritol avec BIBB dans THF/TEA, produisant un noyau tétrabromé. La polymérisation ARGET ATRP subséquente, suivant les mêmes conditions que le copolymère linéaire, a produit le copolymère tribloc étoile. Le rendement et la pureté ont été confirmés par RMN ¹H et SEC.

Préparation des AgNP en utilisant des micelles de copolymères linéaires ou étoilés

Des solutions de copolymères (4,8 mM DMAEMA) ont été agitées dans l'acétone (5 mL) pendant 4 h, puis diluées avec l'eau (20 mL) et agitées overnight pour former des micelles. AgNO₃ (220 µL, 48 mM) a été ajouté goutte à goutte, et le mélange a été agité à 25 °C dans l'obscurité pendant 48 h. Les micelles stabilisées avec AgNP ont été isolées par centrifugation, lyophilisées et stockées à –20 °C.

Essai antibactérien

L'inhibition de croissance contre E. coli DH5α a été évaluée en mélangeant 1 × 10⁵ CFU mL⁻¹ bactéries avec des dilutions sérielles de micelles ou micelles-AgNP. Après 16 h d'incubation à 37 °C, la densité optique à 600 nm (OD₆₀₀) a été mesurée avec un lecteur de microplaques. Six réplicats ont été effectués pour chaque concentration.

Évaluation de la viabilité cellulaire

Des cellules HepG2 ont été ensemencées dans des plaques 96 puits (1 × 10⁴ cellules mL⁻¹) et cultivées 24 h. Les solutions test (10–400 µg mL⁻¹) ont été ajoutées pendant 24 h, suivies du test MTT (4 h incubation avec 5 mg mL⁻¹ MTT, 200 µL DMSO). L'absorbance à 570 nm a quantifié la viabilité cellulaire. Les expériences ont été réalisées en sextuplicat.

Simulation de dynamique de particules dissipatives

Des simulations DPD grossières (Materials Studio 8.0) ont modélisé les interactions copolymère-AgNP à un rapport PDMAEMA/Ag⁺ de 1:1. Une boîte 30 × 30 × 30 rₙ³ avec 100 000 pas (0,05 ns) a capturé l'auto-assemblage des micelles et l'encapsulation AgNP. Les paramètres d'interaction provenaient de travaux antérieurs [31, 32].

Analyse statistique

Les données ont été analysées par test t de Student à deux échantillons (variance inégale) ; p < 0,05 considéré significatif.

Résultats et discussion

Synthèse et caractérisation des copolymères linéaires/étoilés

Les deux copolymères triblocs linéaires et étoilés ont été synthétisés avec succès par ARGET ATRP. Le RMN ¹H a confirmé la composition de blocs attendue : PDMAEMA₁₉.₃–b–PHEMA₁₂.₅–b–PPEGMA₂₄.₆ et (PDMAEMA₅.₀–b–PHEMA₅.₆–b–PPEGMA₅.₀)₄. Le noyau étoile (pentaérythritol) était pleinement bromé, comme en témoigne la disparition du signal –CH₂–OH et l'apparition de nouveaux pics de méthylène porteurs de brome.

Préparation et caractérisation des micelles linéaires/étoilées stabilisant les AgNP

En milieu aqueux, les copolymères triblocs s'auto-assemblent en micelles cœur-écorce. Le cœur PDMAEMA lie Ag⁺ via coordination des amines tertiaires et le réduit in situ, générant des atomes Ag qui nucléent en nanoparticules. L'écorce hydrophile PHEMA/PPEGMA confère une protection stérique, prévenant l'agrégation. Les simulations DPD ont montré que les perles Ag se localisent rapidement dans les cœurs de micelles, confirmant l'encapsulation efficace. Les spectres UV-Vis ont affiché un pic de résonance de plasmon de surface (SPR) à 437 nm pour les micelles linéaires et 422 nm pour les micelles étoilées, indiquant des AgNP monodisperses et quasi-sphériques. Les images MET ont révélé des diamètres de particules de 11,1 nm (linéaire, rapport 1:1) et 3,7 nm (étoile, rapport 1:1), s'étendant à 25,7 nm et 6,4 nm respectivement à un rapport 6:1. Les potentiels zêta variaient de +15 mV à +23 mV, augmentant avec la teneur en Ag, reflétant une couverture de surface réussie.

Stabilité des micelles linéaires/étoilées stabilisant les AgNP

Le monitorage UV-Vis sur 30 jours a montré un décalage négligeable pour les micelles étoilées même après dilution 1:3, tandis que les micelles linéaires exhibaient un décalage vers le rouge modeste, suggérant une stabilité colloïdale moins robuste. La TGA a indiqué des températures de dégradation initiales de 213 °C pour les micelles étoilées et 172 °C pour les micelles linéaires avec AgNP, soulignant la résilience thermique supérieure de l'architecture étoile.

Activité antibactérienne et viabilité cellulaire

Les mesures OD₆₀₀ ont révélé une inhibition concentration-dépendante de la croissance d'E. coli par les micelles-AgNP. Les micelles étoilées ont atteint >90 % d'inhibition à 50 µg mL⁻¹, tandis que les micelles linéaires nécessitaient 200 µg mL⁻¹ pour un effet comparable, attribuable à la taille de particule plus petite et la surface plus élevée. Les essais de cytotoxicité avec les cellules HepG2 ont montré une viabilité au-dessus de 90 % à travers toutes les concentrations testées, confirmant une faible toxicité mammalienne.

Conclusion

Cette étude démontre que des micelles de copolymères triblocs PDMAEMA linéaires et étoilés peuvent être utilisées comme plateformes à double fonction — réduisant et stabilisant simultanément les nanoparticules d'argent — via une seule étape de synthèse verte. Les micelles étoilées produisent des AgNP plus petites, plus stables et exhibent une activité antibactérienne supérieure tout en maintenant une excellente biocompatibilité. L'approche ajustée par topologie offre une stratégie polyvalente pour concevoir des nanomatériaux antimicrobiens avancés.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données utilisés et/ou analysés pendant l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

AgNP :

Nanoparticules d'argent

DMAEMA :

2-(diméthylamino) éthyl méthacrylate

HEMA :

2-hydroxyéthyl méthacrylate

PEGMA :

Méthacrylate de méthyle éther poly(éthylène glycol)

CuBr₂ :

Bromure de cuivre(II)

¹H RMN :

Résonance magnétique nucléaire protonique

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

KBr :

Bromure de potassium

UV-Vis :

Spectroscopie ultraviolette-visible

MTT :

3-(4,5-diméthylthiazol-2-yl)-2,5-diphényltétrazolium bromure

HepG2 :

Lignée cellulaire carcinome hépatocellulaire

DPD :

Dynamique de particules dissipatives

SPR :

Résonance de plasmon de surface

XRD :

Diffraction des rayons X