Polymères terminés par des chaînes perfluorées linéaires

L’introduction d’une chaîne perfluorée linéaire courte en terminaison de la chaîne polymère peut notamment avoir un impact considérable sur (1) les propriétés de surface du polymère et (2) son comportement associatif en solution.

2.3.1. Modification des propriétés de surface de films de polymères

Plusieurs travaux rapportent la fonctionnalisation de polymères (PVA, polyéthylène) avec des terminaisons perfluorées linéaires dans le but de diminuer les tensions de surfaces des films

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formés. Les groupements fluorés s’orientent en effet préférentiellement vers l’air. Les tensions de surface diminuent quand la longueur de chaîne fluorée augmente et quand la concentration en groupements CF3 à la surface augmente (Mclain et al., 1996; Sato et al., 1992). Diminuer la masse molaire du polymère ou fonctionnaliser les deux extrémités de chaînes plutôt qu’une seule sont deux stratégies permettant d’augmenter la proportion de segments fluorés à la surface, et de réduire ainsi plus efficacement les tensions de surface (Mclain et al., 1996).

La fonctionnalisation par des terminaisons perfluorées linéaires a également été réalisée sur des polymères biodégradables comme les polylactides (PLA) (Giuntoli et al., 2012; Lee et al., 2001). La synthèse se fait par polymérisation en masse par ouverture de cycle (ROP pour ring-opening polymerization) du L-lactide ou D,L-lactide amorcée par des alcools fluorés tels que C7F15-CH2-OH ou C10F21-CH2-CH2-C7F15-CH2-OH. A masse molaire constante, la ségrégation en surface des groupements fluorés les plus longs est bien plus importante que celle des chaînons plus courts, ce qui rend les films de polymères plus hydrophobes et plus résistants à l’érosion de surface par hydrolyse. La fonctionnalisation de polymères biodégradables par des terminaisons fluorées pourrait ainsi permettre de retarder et contrôler leur dégradation (Lee et al., 2001).

La synthèse d’un PLLA terminé par une chaîne CH2-C7F15 (PLLA-PFO) a également été rapportée pour formuler des microcapsules d’air comme ACUs (Böhmer et al., 2006; Chlon et al., 2009; Kooiman et al., 2009; Lensen et al., 2011). Contrairement aux microcapsules de PLGA ou PLA non fluorés, les capsules de PLLA-PFO résistent bien à la lyophilisation et à la redispersion post-lyophilisation. La surface hydrophobe du polymère permet de réduire l’intrusion de l’eau à travers les pores de la coque de la microcapsule. Ces microcapsules présentent des seuils de pression d’activation acoustique à 1 MHz comparables à ceux des microcapsules de PLLA non fluoré (0,50 – 0,70 MPa), mais sont ensuite plus efficacement détruites quand la pression acoustique augmente (Chlon et al., 2009). Ces microcapsules sont donc intéressantes pour l’encapsulation et la libération contrôlée d’un principe actif sous l’application d’ultrasons. Les études citées dans cette partie ont toutes pour objectif de diminuer les tensions de surface des polymères et les rendre plus hydrophobes ou plus résistants. La fonctionnalisation par des groupements fluorés peut en outre servir à modifier le comportement associatif des polymères en solution.

2.3.2. Modification des propriétés associatives de polymères en solution Xu et al. ont rapporté la synthèse de PEGs terminés aux deux extrémités par des chaînes perfluorées C6F13 ou C8F17 (Figure 20A) (Xu et al., 1997). En solution aqueuse, les segments fluorés s’associent plus fortement que leurs équivalents hydrogénés pour générer des structures

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micellaires reliées par des chaînes de PEG formant un réseau tridimensionnel (Figure 20B). La viscosité des solutions augmente fortement avec la concentration en polymère et augmente considérablement en remplaçant les groupes C6F13 par des groupes C8F17 (la viscosité à cisaillement nul d’une solution à 5% de polymère passe de 3,85 Pa.s à 200 Pa.s). La formation du réseau peut être caractérisée par un temps de relaxation correspondant au temps nécessaire à un chaînon terminal hydrophobe pour s’extraire d’une micelle du réseau (Figure 20C) : à 5% en polymère, ce temps de relaxation est 40 fois plus long pour C8F17 (83 ms) que pour C6F13 (2,1 ms). Une étude similaire réalisée en ne modifiant les PEGs qu’à une seule extrémité démontre aussi que les PEGs fluorés sont des agents épaississants associatifs plus efficaces que leurs équivalents hydrogénés (Zhang et al., 1998).

Figure 20: Structure des PEG terminés par des chaînes C6F13 et C8F17 (A), représentation schématique de leur association en solution aqueuse formant un réseau dont les points de jonction sont les cœurs fluorés des micelles (B) et représentation de la sortie d’un groupe terminal hydrophobe du cœur de la micelle vers la

solution (C) (Xu et al., 1997)

L’introduction d’un espaceur hydrogéné de 11 CH2 entre le PEG et la chaîne fluorée C8F17, plus long que les 2 CH2 dans les deux études citées précédemment, entraîne une ségrégation de phases avec une phase supérieure micellaire diluée coexistant avec une phase inférieure de micelles plus concentrées (Calvet et al., 2003; Cathebras et al., 1998). Ce processus de déphasage dépend fortement des proportions relatives de la partie hydrophile et de la partie hydrophobe du système, et donc de plusieurs paramètres : le degré de fonctionnalisation du PEG par la chaîne fluorée, la masse molaire du PEG, la longueur de l’espaceur hydrogéné, et la longueur de chaîne fluorée. Les temps de relaxation extrêmement élevés (de l’ordre de 100 s) comparés à ceux obtenus avec des PEGs non fluorés montrent encore que les segments fluorés peuvent produire des systèmes aux propriétés rhéologiques exceptionnelles.

D’autres polymères que des PEGs ont été fonctionnalisés par des terminaisons perfluorées linéaires. Weberskirch et al. ont rapporté la synthèse d’une poly(N-acyléthylène imine) contenant une terminaison de chaîne perfluorée CH2-CH2-C8F17 d’un côté et l’autre terminaison hydrogénée pour générer des micelles à doubles compartiments (Weberskirch et al., 2000). En

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faisant varier la longueur de la chaîne hydrogénée, tout en maintenant celle de la chaîne fluorée constante, il est possible de contrôler le premier point de micellisation qui est déterminé par le groupement terminal le plus hydrophobe. Avec un groupement terminal hydrogéné long (C16H33), à basse concentration, les micelles possèdent majoritairement un cœur hydrocarboné alors que les chaînons fluorés peuvent s’associer à côté sous forme de dimères ou de trimères pour former un réseau fluoré environnant. A partir d’une certaine concentration (31 wt%), les segments fluorés s’agrègent complètement pour former des micelles à deux compartiments, l’un hydrocarboné et l’autre fluoré, l’objectif étant à terme d’imiter le caractère multi-compartimenté de certains systèmes biologiques comme les cellules eucaryotes (Weberskirch et al., 2000). Des études de diffusion de rayons X aux petits angles (SAXS) montrent par la suite que ces micelles sont cylindriques (Figure 21) et qu’elles permettent de solubiliser une molécule fluorée (le 1,4-diiodoperfluorobutane) (Kubowicz et al., 2005b).

Figure 21: Structure d’une poly(N-acyléthylène imine) fonctionnalisée par une chaîne hydroalkylée (en bleu) et une chaîne fluoroalkylée (en rouge) et illustration de leur agrégation en micelles cylindriques lors de

l’augmentation de la concentration en polymère (Kubowicz et al., 2005b)

On observe donc que la chaîne hydrophile du milieu forme une boucle pour pouvoir générer ce type de micelle avec un cœur hydrophobe/fluoré. Le groupe de Jörg Kressler s’est intéressé à l’influence de la longueur de ce bloc hydrophile dans un système un peu différent. Des copolymères à blocs symétriques de type A-B-A hydrophile-lipophile-hydrophile ont été fonctionnalisés aux deux extrémités par des chaînons linéaires C9F19. Les auteurs montrent par RMN 19F que ces polymères s’auto-assemblent dans l’eau suivant la concentration et la température, mais que si le bloc hydrophile est trop court, il ne peut former de boucle de manière à séquestrer les chaînes fluorées vers le cœur de la micelle (Figure 22) (Kyeremateng et al., 2010). Schwieger et al. ont plus récemment utilisé ce même type de polymère amphiphile fonctionnalisé avec des terminaisons C9F19 pour favoriser son adsorption et insertion dans les bicouches et monocouches lipidiques (Schwieger et al., 2016, 2014). En effet, les polymères interagissent avec les membranes lipidiques en insérant leurs chaînes hydrophobes, et le caractère fortement hydrophobe des chaînons fluorés augmente fortement ces interactions : ils servent de points d’ancrage additionnels dans les membranes.

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Figure 22: Mode d’association des polymères comprenant un bloc hydrophobe central (noir), des blocs hydrophiles de part et d’autre (bleu) et des extrémités perfluorées linéaires (rouge) : comparaison entre des

blocs hydrophiles longs (a) et courts (b) (Kyeremateng et al., 2010)

Plus récemment, l’équipe de Roey J. Amir a rapporté la synthèse de PEGs modifiés par des dendrons contenant 4 terminaisons hydrophobes (comprenant un groupe CF3) greffées par des liaisons clivables sous l’action d’enzymes (Figure 23A) (Buzhor et al., 2016). En solution aqueuse, ces hybrides PEG-dendrons fluorés s’auto-assemblent sous forme de micelles, ce qui les rend invisibles en RMN 19F. En présence de certaines enzymes, les liaisons sont clivées et les micelles se désassemblent, libérant ainsi les groupements fluorés et produisant un signal visible en RMN 19F (Figure 23B). Les auteurs ont étudié un autre type d’architecture avec un dendron contenant 4 groupements hydrophobes non fluorés clivables et un groupement fluoré non-clivable. Le désassemblage des micelles en présence d’enzymes augmente la mobilité du PEG-fluoré restant et génère aussi un signal détectable en RMN 19F. Ces systèmes pourrait donc servir de sondes pour détecter par IRM 19F la présence d’enzymes surexprimées dans certains tissus pathologiques (Figure 23C) (Buzhor et al., 2016).

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Figure 23: Illustration du mécanisme d’activation des deux types d’architectures synthétisées (A) et photographie d’un tube RMN de 5 mm de diamètre contenant des micelles non-activées, à l’intérieur d’un tube de 8 mm de diamètre contenant des micelles activées par les enzymes (B-a), image spin-echo IRM 1H

(B-b) et image spin-echo IRM 19F (B-c) (Buzhor et al., 2016)

Nous avons donc montré que l’introduction d’une terminaison fluorée linéaire courte dans un polymère peut avoir une influence majeure sur ses propriétés. Un changement d’architecture de la chaîne polymère peut également induire des changements considérables. Nous nous intéresserons dans la partie suivante aux avancées concernant l’introduction de chaînes perfluorées pendantes (structure en peigne) dans des copolymères et l’impact sur leurs propriétés physico-chimiques et sur leur comportement en solution. Plusieurs études intéressantes rapportent la synthèse de polymères contenant des perfluoropolyéthers (Frediani et al., 2010; Lopez et al., 2016; Singh et al., 2011), mais nous nous focaliserons essentiellement sur les chaînes pendantes fluoroalkylées de type CxF2x+1. Après une description des voies de polymérisation les plus couramment utilisées pour synthétiser de tels polymères, une revue des travaux antérieurs portant sur ces polymères est proposée, en les classant en fonction de leur structure (statistique, en bloc) et des affinités de chaque bloc.

2.4. Copolymères contenant des chaînes perfluorées pendantes