PLA- b-PEG
5.2.6. Mise en évidence de l’inversion de structure des micelles pendant le procédé de nanoprécipitation par diffusion de neutrons
L’investigation du processus de nanoprécipitation des copolymères à bloc a été menée en ajoutant des quantités croissantes d’eau à une solution de copolymères à blocs dans l’acétone. Une étude précédente se basant sur une étude par diffusion de la lumière de la taille des structures produites pendant la nanoprécipitation avait montré l’existence de structures pseudo micellaires lorsque le copolymère PCL-b-PEG était introduit dans l’acétone (Laredj-Bourezg et al. 2012) due à solubilité très réduite de la partie PEG constitutive de ce dernier dans l’acétone (Bordes et al. 2010).
L’ajout progressif d’eau amènerait un réarrangement de ces structures jusqu’à la formation d’une micelle directe avec un cœur hydrophobe et une couronne hydrophile interagissant avec l’eau. Des spectres comparatifs du copolymère complètement dissous dans le chloroforme et des suspensions aqueuses de micelles de copolymères obtenus après évaporation de l’acétone ont également été effectués.
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Figure 10. Spectres de diffusion de neutrons obtenus en fonction de la quantité d’eau introduite pendant la nanoprécipitation du copolymère PCL-b-PEG.
Les résultats montrent une différence de structures observées entre la solution de copolymère dans le chloroforme et celle obtenue en introduisant le copolymère dans l’acétone pour les deux copolymères étudiés. Ceci prouve que le chloroforme est un solvant préférentiel pour la solubilisation complète des deux copolymères et qu'il ne s'y forme pas de micelles. Au contraire, une diffusion des neutrons qui dépend de l'angle est mesurée pour les solutions dans l'acétone, ce qui montre une organisation en des copolymères à blocs sous la forme d'agrégats. Comme l'acétone est un bon solvant du PCL ou du PLA et un mauvais solvant du PEG, nous pensons que ces structures sont des micelles de type inverse où le cœur est composé de PEG et l'écorce est composée de polyester (PCL ou PLA) solvaté par l'acétone. L’ajout de quantités croissantes d’eau se traduit par un changement progressif de l’allure des spectres. Ceci montre un changement progressif de structure jusqu’à se rapprocher de la structure finale des micelles obtenues après évaporation de l’acétone.
Cependant, ce changement de structure semble intervenir beaucoup plus rapidement pour le PCL-b-PEG (Figure 10) entre 9 et 17% (v/v) comparé au PLA-b-PCL-b-PEG (Figure 11) où le changement de structure semble survenir entre 17 et 29% (v/v) d’eau. Ceci peut être dû à la différence des longueurs de chaine du PCL et PLA. En effet, une chaine hydrophobe plus longue que celle du PEG peut s’accompagner de mouvements moléculaires plus ralentis faisant d’une éventuelle inversion de phase
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un phénomène plus lent. L’inversion de structure peut être due aussi à une solubilité limitée du copolymère dans le mélange acétone-eau.
Figure 9. Spectres de diffusion de neutrons obtenus en fonction de la quantité d’eau introduite pendant la nanoprécipitation du copolymère PLA-b-PEG.
Le tableau 4 regroupe les paramètres de solubilité du PLA, et du PCL calculés selon la méthode de Hansen (Hansen 2007) en considérant les contributions à la solubilité des interactions dues à la dispersion (Gd), de type polaire (Gp), et à de liaisons hydrogènes (Ghb) . Le paramètre de solubilité total est ainsi calculé par la formule suivante en prenant en compte les différentes contributions calculées selon les tables d’incréments de to Hoftyzer and van Krevelen (Krevelen et Nijenhuis 2009) : ߜଶ ൌ ߜௗଶ ߜଶ ߜଶ (18) Compound Solubility parameters (MPa1/2) PLA Gd Gp Ghb Total G 17.62 9.70 11.77 23.31 PCL Gd Gp Ghb Total G 17.66 4.97 8.43 20.20
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Les résultats montrent une contribution du type polaire plus élevée pour le PLA comparé à celle du PCL. Cette polarité élevée pourrait expliquer une quantité plus élevée d’eau pour induire une inversion de structure.
5.3. Conclusion
Deux copolymères à blocs différant par la nature et longueur de la partie hydrophobe ont été utilisés pour fabriquer des particules. Le procédé de nanoprécipitation a été modifié par inversion des volumes des solvants organique et aqueux habituellement utilisés afin d’obtenir des suspensions aqueuses concentrées. Le but de cette partie était d'étudier l’impact de ce changement de procédé sur les propriétés des particules obtenues. Les résultats montrent que les pseudo-micelles obtenues ont une forme sphérique dont le cœur hydrophobe résulte de l’arrangement des parties hydrophobes, avec une couronne hydrophile gonflée d’eau majoritairement constituée des chaines PEG. Les spectres RMN du proton et du 13C ont montré des mouvements moléculaires très ralentis mais présents pour les pseudo-micelles de PCL-b-PEG. Le confinement des chaines de polycaprolactone dans des particules aussi petites (taille déterminée par DLS de l’ordre de 30 nm) inhibe sa cristallisation. Celui se conduit comme un polymère fondu à température ambiante. Les pseudo-micelles à base de PLA-b-PEG quant à elles ont montré une structure interne solide avec des mouvements moléculaires imperceptibles avec l’appareillage utilisé. Ceci a été montré pour des polymères ayant une température de transition vitreuse élevée. Les particules formées qualifiées de « Frozen micelles » présentaient un cœur solide, vitreux complètement figé (Riess 2003; Allen, Maysinger, et Eisenberg 1999).
La diffusion de neutrons des nanoparticules dans l’eau montre une organisation écorce-couronne. Avec un cœur formé par le PLA ou PCL entouré d’une couche de chaines PEG gonflées d’eau.
Les tailles des nanoparticules mesurées concordent également avec les tailles mesurées en DLS. Les nombres d’agrégation calculés étaient de 200 et 280 pour le PLA-b-PEG et le PCL-b-PEG respectivement. Une chaine plus longue du PLA s’accompagnerait donc d’un empilement maximal comparée à celle du PCL.
Des études de diffusion de neutrons faites sur des pseudo-micelles formées par des copolymères PLA-b-PEG (3 :5, 15 : 5, et 45 :5) ont montré une plus forte densité de greffage des chaines PEG dans le cas du PLA-b-PEG 3 : 5 comparé aux deux autres (Riley et al. 2003). Ainsi, la surface occupée par un PEG était de 1.9, 4.8, et 7.8 nm2 pour les compositions 3 :5, 15 :5 et 45 :5 respectivement. Les chaines de PEG montraient un état de solvatation élevé ainsi qu’une courbure de
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surface beaucoup plus accentués. Les auteurs avaient postulé une structure conique du copolymère au sein de la micelle tout en observant des différences dans les fractions volumiques du PEG en fonction de la longueur de la chaine PLA. Une chaine PLA plus longue s’accompagnait d’une densité plus faible en chaines PEG mais plus homogène. L’expansion radiale rapide des chaines de polyéthylène glycol loin des chaines hydrophobes permet de réduire la courbure au sein de la structure en brosse.
L’étude du diagramme ternaire eau-acétone-copolymère par diffusion de neutrons a montré une inversion de structure au fur et à mesure que l’eau était ajoutée dans le système. Cependant l’inversion de structure aboutissant à la forme particulaire finale semble intervenir à des pourcentages différents d’eau pour les deux copolymères. Ceci a été attribué à la polarité élevée du PLA comparé au PCL, qui permettrait une solubilisation plus élevée dans les mélanges acétone-eau. L’ajout progressif d’eau dans le système provoquerait une inversion de structure suite à l’abaissement brutal de la solubilité du polymère dans le milieu.
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