III.2.1 Formation de jonctions spécifiques et/ou sélectives ponctuelles
La formation de jonctions ponctuelles d’énergie suffisamment élevée s’appuie généralement sur le phénomène de reconnaissance moléculaire entre deux molécules de nature différente conduisant à la formation de complexes. Ces complexes sont stabilisés par des interactions non covalentes pouvant être de type électrostatique, hydrophobe, van der Waals ou liaisons hydrogène.
Le terme de reconnaissance moléculaire implique les notions de réversibilité (association-dissociation), de stabilité, de spécificité et de sensibilité à la présence de (bio)molécules spécifiques.
domaine de jonctions physiques stabilisées par des liaisons hydrogène
Mn = 17 500 DPn = 61 insoluble dans l’eau Mn = 53000 DPn = 535 soluble dans l’eau
Dans les systèmes biologiques, la reconnaissance moléculaire joue un rôle fondamental, comme par exemple dans le cas des protéines. De nombreux auteurs se sont appuyés sur la formation spontanée de complexes impliquant des protéines comme c’est le cas pour la reconnaissance avidine-biotine, antigène-anticorps ou glucose-concanavaline A, pour synthétiser des hydrogels.
Les systèmes stabilisés par la reconnaissance biotine-avidine sont constitués de microparticules de PLA et de POE décorées en surface par des groupements biotine. Les molécules d’avidine, possédant deux sites de reconnaissance, additionnées aux microparticules fonctionnalisées, jouent le rôle d’agent réticulant [36]. Ces hydrogels ont été utilisés en tant que matrice injectable permettant l’encapsulation de cellules pour l’ingénierie tissulaire.
Miyata et coll. se sont appuyés sur la reconnaissance spécifique et réversible antigène-anticorps pour créer des nœuds de réticulation physique. L’hydrogel élaboré est constitué de réseaux de polymères semi-interpénétrés. Dans cette optique, ces auteurs ont modifié chimiquement l’antigène (immunoglobuline (IgG) de lapin) et l’anticorps (IgG de chèvre) en les couplant chacun séparément avec de l’acrylate de N-succinimidyle (NSA) pour obtenir des monomères vinyliques. Le monomère vinylique à base d’anticorps est copolymérisé avec l’acrylamide, ce qui permet l’obtention d’un polymère porteur d’anticorps. Indépendamment, le monomère vinylique contenant l’antigène est copolymérisé avec l’acrylamide en présence de N,N’-méthylènebisacrylamide (MBAA) [37]. La présence de MBAA permet de créer des jonctions chimiques supplémentaires et permet la formation des réseaux interpénétrés. Les propriétés de ces hydrogels, notamment de gonflement, sont sensibles à l’addition d’antigène libre. En effet, l’ajout d’antigène libre entraîne la dissociation des complexes interchaînes induisant un gonflement important du réseau (figure I-6).
Figure I- 6 : Mécanisme de gonflement suggéré après addition d’antigène libre, d’après Miyata et
La préparation de systèmes dont les propriétés physiques sont sensibles à la présence de glucose dans le milieu environnant continue de suciter beaucoup d’intérêts. Différents systèmes comme les hydrogels chimiques, les membranes, les micelles ont été envisagés pour répondre à de tels critères. Obaidat et coll. ont préparé des hydrogels physiques stabilisés par l’interaction spécifique entre la concanavaline A (Con A) qui est une lectine tétravalente et le glucose [38,39]. Les gels sont obtenus par simple mélange d’un copolymère contenant du glucose avec la Con A qui joue le rôle d’agent réticulant. Le glucose a été introduit sur un squelette polymère par copolymérisation d’allyl glucose avec des monomères tels que l’acrylamide ou la N-vinylpyrrolidone [40]. Ces gels présentent une transition sol-gel réversible en présence de glucose libre (figure I-7) [38].Ces hydrogels ont été utilisés en tant que systèmes à libération contrôlée et modulée d’insuline en fonction des besoins de l’organisme [41].
Figure I- 7 : Représentation schématique de la transition sol-gel en présence de glucose libre d’après Lee et coll. [39]
III.2.1.2 Autres types d’interactions ponctuelles
Les galactomannanes forment des gels physiques avec les ions borates qui jouent le rôle d’agents réticulants ponctuels. Ces ions sont de bons candidats à la réticulation des polymères polyhydroxylés. Les groupes cis-diol des unités sucre complexent les ions borates. Les deux paires de diol de différentes chaînes macromoléculaires de galactomannane peuvent ainsi être connectées par un ion borate pour former une jonction interchaîne [42,43].
III.2.2 Formation de zones de jonctions spécifiques et/ou sélectives
III.2.2.1 Interactions entre des greffons oligomères
Il a été montré que le mélange de certains polymères de chiralité opposée pouvait conduire à des cristallites racémiques (ou stéréocomplexes). Ikada et coll. ont été les premiers à mettre en évidence la formation de séréocomplexes entre l’acide L-polylactique et l’acide D-polylactique [44]. Hennink et coll. se sont appuyés sur la formation de ces stéréocomplexes pour élaborer de nouveaux hydrogels physiques [45]. Dans cette optique, ils ont greffé chacun des énantiomères sur une chaîne polysaccharidique : le dextrane. Le mélange des dérivés de dextrane modifiés de chiralité opposée conduit à la formation de gels dont les stéréocomplexes constituent les jonctions physiques interchaînes (figure I-8) [46]. Ils ont montré que la cristallinité (stéréocomplexation) se produit pour des oligomères possédant un degré de polymérisation (DP) supérieur à 7 et que la force des gels obtenus est favorisée par une augmentation du DP et du taux de greffage des unités d’acide lactique sur le dextrane
[45].
Figure I- 8 : Synthèse d’hydrogels stabilisés par la formation de stéréocomplexes d’après Hennink et
coll. [46]
Ces hydrogels biodégradables ont trouvé d’intéressantes applications dans le domaine pharmaceutique puisqu’ils ont servi de matrice pour l’encapsulation et la libération de petites protéines (IgG et lysozyme) et également d’échafaudage supramoléculaire formé in situ pour une utilisation en ingénierie tissulaire [47,48].
d’oligomères énantiomères de L et D acide lactique, chacun greffés sur des chaînes de poly(2-hydroxyéthyl méthacrylate) (poly(HEMA)) [49].
Par ailleurs, des hydrogels tout à fait originaux ont été obtenus par la reconnaissance entre des brins d’oligodésoxyribonucléotides complémentaires, chacun greffés sur des copolymères synthétiques de poly(N,N-diméthylacrylamide-co-N-acryloyloxysuccinimide)
[50].
III.2.2.2 Interactions ioniques
Les alginates, copolymères constitués de mannuronate et de guluronate de sodium représentent un excellent exemple du mode de gélification obtenue par formation d’interactions ioniques spécifiques coopératives. Lorsqu’ils présentent des blocs de guluronate et en présence de cations divalents (Ca2+), ces polysaccharides d’origine naturelle ont la particularité de gélifier [51]. Le phénomène de gélification repose sur une complexation des cations divalents, par plusieurs groupements carboxylate appartenant à des blocs de guluronate de chaînes macromoléculaires différentes. Le mécanisme d’association du calcium à l’alginate est un phénomène coopératif et les chaînes macromoléculaires se réarrangent spatialement au cours de la gélification. L’arrangement spatial compact des résidus guluronate constitue une sorte de “ boîte à œufs ” dans laquelle les cations Ca2+ sont complexés. Les propriétés mécaniques du gel dépendent directement du nombre de Ca2+ coopérativement liés par jonction. L’un des principaux secteurs d’applications est l’industrie alimentaire. Les alginates y sont utilisés pour stabiliser les mousses, viscosifier les crèmes ou encore gélifier certains produits reconstitués. Ils interviennent dans le domaine biomédical et plus particulièrement dans l’ingénierie tissulaire [52]. Ils sont également utilisés dans le domaine biomédical pour la fabrication de pansements hémostatiques et d’empreintes pour les prothèses dentaires.