Field Flow Fractionation : mesure séparative

La technique de FFF [67] s’inspire de la chromatographie en phase liquide dans des colonnes capillaires : la population de particules à séparer par taille ou poids moléculaire est introduite dans un canal où circule une phase continue avec un profil hydrodynamique stationnaire de Poi-seuille. Pour la chromatographie, la séparation s’effectue entre les espèces à partir d’un temps de rétention induit par une affinité différente des molécules avec la surface de la colonne. Pour la FFF, on introduit un champ de force qui sera responsable de la séparation et qui est dirigé per-pendiculairement à la direction du flux. Ce champ peut être thermique, électrique, gravitationnel ou stérique. Cette techniques permet de séparer des particules de taille allant de quelques nano-mètres à plusieurs dizaines de microns suivant le champ choisi. La taille est déduite d’une temps d’élution relatif à l’utilisation d’étalons ou à une mesure de diffusion de lumière effectuée en ligne.

Nous avons présenté sur la figure A.2 le mode de séparation stérique qui induit un temps d’élution plus court pour les gros objets. En effet, c’est derniers ont une vitesse moyenne plus grande que les petits puisqu’ils interceptent un plus grand nombre de lignes de courant dans le canal. Pour

d’autres modes, notamment le mode gravitationnel, les temps d’élution sont inversés par rapport à celui-ci.

Polyethylèneglycols

Le polyéthylène glycol (PEG) et le polyéthylène oxyde (PEO) sont des polymères synthétiques de même structure chimique, à l’exception de leur taille et de leur groupes terminaux : ce sont les membres de la familles des polyethers les plus importants commercialement.

On parle plus généralement de polyéthylène glycol pour les macromolécules oligomériques li-quides et de polyéthylène oxyde pour des macromolécules de grand poids moléculaire dont le point de fusion est relativement bas

Fig. B.1 –Structure chimique d’une macromolécule de polyéthylène glycol

Les polyéthylène oxyde sont connus pour leur excellente hydrophilie et leur totale innocuité biologique, bien que n’appartenant pas à la classe des biopolymères (chitosan, alginate, dextran, collagène, etc.). Ils entrent dans la composition de produits aussi divers que des solutions in-jectables anti-vieillissement du bois, les lubrifiants aqueux et les produits pharmaceutiques ou cosmétiques. Depuis une trentaine d’année, les PEO sont couramment utilisés dans le domaine des biotechnologies, soit sous forme de solution aqueuse en volume, pour la cristallisation de protéines par exemple, soit greffés sur des surfaces de nanoparticules ou d’implants artificiels de manière à accroître leur tolérance vis-à-vis de l’organisme hôte.

Les oligomères de PEO entrent couramment dans la composition de la partie hydrophile des tensioactifs non ioniques (Tween, Myrj, Brij). L’utilisation du PEO permet de réaliser des séries homologues de HLB variable, en attachant à une partie hydrophobe des oligomères de diffé-rentes longueurs. La série des tensioactifs Poloxamer (commercialement vendus sous le nom de

Pluronic ou Synperonic) sont des copolymères triblocs composés de deux chaînes PEO de même longueur et d’un chaîne de jonction hydrophobe formée à partir d’un polypropylène oxyde. C’est un membre de cette famille, le Poloxamer 188 ou Synperonic PE/F68 que nous utilisons dans la formulation de nos émulsions.

D’un point de vue biologique, les PEO, et dans une moindre mesure les Poloxamer, ont la pro-priété de sceller les défauts des membranes cellulaires [104], permettant de protéger les cellules vivantes des chocs mécaniques, notamment lors du transport. Cette effet, bien que mal compris, a permis d’obtenir in-vivo des résultats très spectaculaires sur le taux et la rapidité de rémission d’animaux de laboratoire atteints d’une paralysie des quatre membres provoquée par des lésions spinales profondes [96].

B.1 Modèle statistique des PEO en solution aqueuse

Dans la famille des polyethers linéaires, le polyéthylène oxyde est le seul membre à la fois parfai-tement soluble dans l’eau et dans les solvants organiques, indépendamment de sa concentration et de sa masse moléculaire, alors que le polyméthylène oxyde -(O-CH₂)_n- et le polypropylène oxyde -(O-CH₂-CH₂-CH₂)_n- sont totalement insolubles dans l’eau, exception faite des PMO de bas poids moléculaire. Cette particularité s’explique par la distance entre les deux oxygènes des groupements éther consécutifs (2,85 A), très proche de celle entre deux oxygènes (2,88 A) de molécules d’eau liquides [91]. Si l’on ajoute à cela la possibilité de créer des liaisons hydrogène avec le solvant, différentes études [22, 23] ont montré qu’une chaîne de PEO est de géométrie hélicoïdale, et qu’une couche de molécules d’eau est condensée tout au long du squelette, ces molécules étant au nombre de 2 à 4 par monomère. L’existence de cette première couche d’hy-dratation a été déduite du fait que le coefficient de diffusion des molécules d’eau situées proche du squelette est plus faible que celui de l’eau dans le volume et des valeurs fortement négatives de l’entropie de mélange et de dilution du PEO dans l’eau [91], témoins d’une plus grande struc-turation du solvant en présence des chaînes de polymère.

Les mesures de spectroscopie Raman indiquent que le squelette d’une chaîne de PEO peut adop-ter une conformation hydrophile trans-gauche-trans suivant les liaisons covalentes -O-CH₂-CH₂, qui provoque la structure en hélice. Mais il peut aussi adopter une conformation

gauche-trans-gauche-gauche suivant les liaisons OCH−2-CH−2-O-CH−2-CH−2O dont le caractère est plutôt

Une série d’études physiques [22, 23, 152, 89] effectuées par différents groupes ces vingt dernières années ont permis de préciser le comportement du PEO dans l’eau. La longueur de persistance des PEO est très petite (L_p=3,5 Å), de l’ordre de la taille d’un monomère, faisant des PEO des polymères extrêmement flexibles. A température ambiante, en solution homogène, le com-portement des PEO est celui d’une chaîne de polymère en bon solvant, confirmé par la loi de variation du rayon de gyration sur plusieurs ordres de masse molaire (de 3400 à plusieurs millions de grammes par mole) et par la valeur du ratio entre le rayon hydrodynamique et le rayon de gy-ration, qui s’ajuste parfaitement avec les modèles de chaînes gaussiennes ou pseudo-gaussiennes. Le rayon de gyration s’exprime, pour des chaînes de plus de 6000 g/mol comme

R²_g = 4, 08.10⁻¹⁸M_w^1,16cm² MW Rg (nm) Rg (nm) Rg (nm) Rg (nm) Rg (nm) Source [22] [152] [23] [48] [89] 2000 >1,20 3,57 3,5 1,66 3400 1,28 >1,40 >3,57 4,74 2,25 5000 5,96 2,82

Obtention Mesure (DLS) Mesure (SANS) Mesure (DLS) Rayon de Flory Extrapolation

Solvant H2O D2O H2O H2O H2O

Tab. B.1 – Rayons de gyration des PEO de 2000, 3400 et 5000 g/mol extraits des sources citées en haut de chaque colonne

De manière surprenante, les différentes sources donnent des rayons de gyration pour des PEO de même longueur qui varient du simple au double. Le calcul effectué par Leckband et al. est un calcul classique du rayon de Flory : R_g = a.n^3/5 où a est la longueur d’un monomère et n le degré de polymérisation. Nous avons dit un peu plus haut dans le paragraphe que le longueur de persistance était égale à la taille du monomère, décomposable en trois liaisons covalentes de longueur égale à 15 Å. Si on considère que la taille du monomère est inférieure à la longueur de persistance parce que les liaisons adoptent une conformation tridimensionnelle, on obtient par exemple pour le PEO 2000 un rayon de gyration de l’ordre de 2,5 nm, plus compatible avec les différentes valeurs des autres sources.