b. Modèles théoriques
1.2.5. Système film de polyélectrolytes formant un hydrogel par réticulation chimique
Dans le dernier chapitre de ce manuscrit, nous améliorerons la cohésion d’un film de polyélectrolytes par réticulation chimique en formant un hydrogel.
Les hydrogels sont définis comme étant des réseaux de polymères hydrophiles réticulés qui gonflent en présence d’eau. Ils connaissent un intérêt croissant car ils pourraient être une solution pour la lubrification artificielle des articulations humaines86.
Plusieurs équipes ont étudié la friction de blocs d’hydrogels de manière macroscopiques87,86,88,89,90,91,92. Ils ont montré que les blocs d’hydrogel présentaient de très bonnes propriétés de lubrification qui sont fonction notamment du taux de réticulation des chaînes et du nombre de réseaux interconnectés. La faible friction est principalement attribuée à la présence de molécules d’eau en permanence à la surface des blocs.
Dans notre cas, nous souhaitons améliorer la cohésion d’une couche de polymères déjà adsorbée sur une surface par une réticulation chimique et étudier si les propriétés de lubrification en sont modifiées. Il s’agira donc d’un film d’hydrogel et non d’un bloc. Des recherches similaires ont été menées par Benz et collaborateurs93 avec l’acide hyaluronique qui est un composant majeur du fluide synovial des articulations diarthrodiales. Ce composé est réticulable et donne un gel appelé hylan. Cette étude montre qu’avant réticulation, l’acide hyaluronique greffé, soit de manière biologique (en utilisant des protéines biotine-streptavidine) ou de manière covalente, sur des bicouches lipidiques (elles-mêmes adsorbées sur des surfaces de mica) est peu cohésif sous compression. Les profils de force normale montrent en effet qu’un contact bicouche-bicouche peut être atteint (Figure I-58), signe que l’acide hyaluronique est expulsé du contact. Sous cisaillement, des endommagements sont aussi observés. Le coefficient de friction d’un tel système n’est d’ailleurs pas très intéressant puisqu’il se situe aux environs de 0,2-0,3, cette valeur peut être comparée avec la valeur du coefficient de friction du fluide synovial entre les cartilages (µ=0,002-0,03) 93.
Après la réticulation, la cohésion du système est améliorée sous compression puisque le contact bicouche-bicouche n’est plus atteint même pour de très fortes compressions (allant jusqu’à plusieurs centaines d’atmosphères). La répulsion entre les surfaces est observée à des séparations plus importantes après réticulation (Figure I-58). Sous cisaillement, le système ne présente plus non plus d’endommagement, cependant le coefficient reste élevé (µ=0,15). Ce coefficient de friction important ne peut être expliqué par des phénomènes de pontage car la surface de mica
opposée est de charge négative, comme le polymère adsorbé. Il ne s’agit pas non plus d’une interpénétration importante entre les chaînes car la plupart des expériences a été réalisée dans une configuration asymétrique avec une surface opposée qui est une surface de mica nue.
Figure I-58 : Résultats obtenus avec l’acide hyaluronique avant réticulation (à gauche) : profils de force sous compression, la surface opposée est une surface de mica (a) ou une surface avec bicouche lipidique et HA (b) (c) force de friction en fonction de la force de compression. Après réticulation (ci-dessus), (a) profil de force normale, la surface opposée est une surface de mica, (b) force de friction en fonction de la force de compression. Les différents symboles correspondent à des contacts différents22
Nous avons donc vu que les hydrogels pouvaient constituer de bons lubrifiants, phénomène dû notamment à leur importante hydratation favorisant certainement la présence d’un film liquide dans le plan de cisaillement. Une étude sur un film de polymères avant et après réticulation a été menée et a montré que la réticulation a bien apporté de la cohésion à l’acide hyaluronique sans pour autant améliorer les propriétés de lubrification. Les causes d’un coefficient de friction similaire avant et après la réaction ne sont pas comprises et nous avons très peu d’informations sur la structure du film avant et après réticulation. Il sera donc intéressant de mener une nouvelle étude en réalisant cette réaction sur un autre polymère, un tribloc à base de poly(L-lysine).
78
1.3. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les techniques de caractérisation qui vont nous permettre d’étudier le comportement en solution, l’adsorption et les propriétés tribologiques des systèmes d’étude. Par la suite, nous avons fait quelques rappels nécessaires à la compréhension de ce travail et introduit certaines connaissances sur chacun de nos systèmes. Nous avons en particulier vu que les tensioactifs cationiques qui s’adsorbent sous forme de bicouches sur les surfaces d’étude (mica ou silice) peuvent être de très bons lubrifiants mais que les bicouches sont peu cohésives. Sous compression, l’hémifusion des deux bicouches apparait. Les polymères greffés par la méthode de « grafting to » sur des surfaces sont aussi de bons lubrifiants, notamment grâce à une faible interpénétration lorsque les films sont denses. Il est cependant compliqué d’obtenir des films denses par auto-assemblage. Une stratégie pourrait alors être d’associer ces deux systèmes pour obtenir un film réticulé, dense et cohésif. Des études précédentes, avec un copolymère hydrophile/hydrophobe ancré dans la bicouche de tensioactifs, ont montré qu’il y avait bien coadsorption des deux molécules mais la cohésion du film de tensioactif n’est améliorée que dans une gamme de concentration très restreinte. Nous verrons si nous parvenons à obtenir de meilleurs résultats avec un copolymère hydrophile-polyélectrolyte de charge opposée à celle du tensioactif. Il s’adsorbera de manière électrostatique au tensioactif, créant ainsi un réseau physique, tout en formant une surcouche de champignons ou de brosses.
Nous avons également vu que les brosses de polyélectrolytes greffées sur une surface étaient de bons lubrifiants en-dessous d’une compression critique. Au-delà, le film s’endommage rapidement. Un moyen pour y remédier serait alors de réticuler cette fois-ci chimiquement le film greffé afin d’améliorer la cohésion. Une étude similaire a précédemment été menée et si la cohésion est améliorée, la lubrification reste importante. Nous étudierons l’impact de cette réaction sur un autre système, un tribloc qui s’auto-assemble sur les surfaces de mica.
79
1. Berne, B.J. & Pecora, R. Dynamic Light Scattering: With Applications to Chemistry, Biology,
and Physics.
2. Iler, R. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties
and Biochemistry of Silica.
3. Sauerbrey, G. Verwendung von Schwingquarzen zur W gung d nner Schichten und zur Mikrow gung. Z. Physik 155, 206-222 (1959).
4. Nomura, T. & Hattori, O. Determination of micromolar concentrations of cyanide in solution with a piezoelectric detector. Analytica Chimica Acta 115, 323-326 (1980).
5. Rodahl, M. et al. Simultaneous frequency and dissipation factor QCM measurements of biomolecular adsorption and cell adhesion. Faraday Disc. 107, 229-246 (1997).
6. Johannsmann, D. Modeling of QCM data.
7. M V Voinova, Rodahl, M., Jonson, M. & Kasemo, B. Viscoelastic Acoustic Response of Layered Polymer Films at Fluid-Solid Interfaces: Continuum Mechanics Approach. 59, 391-396 (1999).
8. QCM-D Technology - Q-Sense - QCMD - quartz crystal microbalance with dissipation. à <http://www.q-sense.com/>
9. Gaines, G.L. & Tabor, D. Surface Adhesion and Elastic Properties of Mica. Nature 178, 1304-1305 (1956).
10. Dorel, S. . Nanostructuration de la muscovite : Une étude par diffraction d'électrons lents en mode oscillant. (2000).
11. Binnig, G., Quate, C.F. & Gerber, C. Atomic Force Microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).
12. Blom, A. Structure and physical properties of surfactant and mixed surfactant films at the solid-liquid interface. (2005).
13. Derjaguin, B.V., Titijevskaia, A.S., Abricossova, I.I. & Malkina, A.D. Investigations of the forces of interaction of surfaces in different media and their application to the problem of colloid stability. Discuss. Faraday Soc. 18, 24-41 (1954).
14. Bailey, A. & Courtney-Pratt, J. The Area of Real Contact and the Shear Strength of Monomolecular Layers of a Boundary Lubricant. Proc.R.Soc.Lond 227, 500-515 (1955). 15. Tabor D & Winterton RHS The Direct Measurement of Normal and Retarded van der Waals
Forces. Proc.Roy.Soc 435-450 (1969).
16. Israelachvili, J. & Tabor, D. The shear properties of molecular films. Wear 24, 386-390 (1973).
17. Israelachvili, J.N. & Adams, G.E. Measurement of forces between two mica surfaces in aqueous electrolyte solutions in the range 0-100 nm. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1: 74, 975-1001 (1978).
18. Cortial, Y. Interféromètre de Fabry et Perot. à <http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/cortial/bibliohtml/fabry.html>
19. Tolansky, S. Low-order multiple-beam interferometry. Proc. Phys. Soc. 58, 654-662 (1946). 20. Israelachvili, J. Intermolecular and Surface Forces.
21. Israelachvili, J.N. Thin film studies using multiple-beam interferometry. Journal of Colloid
and Interface Science 44, 259-272 (1973).
22. Derjaguin, B. Untersuchungen über die Reibung und Adhäsion, IV. Colloid & Polymer
Science 69, 155-164 (1934).
23. de Vicente, J., Stokes, J. & Spikes, H. The Frictional Properties of Newtonian Fluids in Rolling–Sliding soft-EHL Contact. Tribology Letters 20, 273-286 (2005).
24. Bouré, P. Lubrifiaction et usure du contact fil/outil en trefilage humide. (1999).
80
mathematique et de physique. 206,
26. Coulomb, C. Memoires de mathematiques et de physique de l'académie royale des sciences.
6,
27. Bowden, F. & Tabor, D. Friction et lubrification. (1959).
28. Maeno N., Arakawa M., Yasutome A., Mizukami N. & Kanazawa S. Ice-ice friction measurements, and water lubrication and adhesion-shear mechanisms. Canadian Journal of
Physics 81, 241-249 (2003).
29. Nanotribologie : les processus élémentaires de la friction = Nanotribology : Elementary process of friction.
30. Stribeck, R. Die Wesentlichen Eigenschaften der Gleit und Rollenlager. Z.Verein Deut Ing
46, 1341-1348 (1902).
31. Bhushan, B. Handbook of Micro/Nanotribology: Second Edition. (CRC-Press: 1998). 32. Persson, B.N.J. Sliding friction: physical principles and applications.
33. Rubingh, D.N. & Holland, P.M. Cationic surfactants: physical chemistry. (CRC Press: 1991).
34. Chen, Y.L., Chen, S., Frank, C. & Israelachvili, J. Molecular mechanisms and kinetics during the self-assembly of surfactant layers. Journal of Colloid and Interface Science 153, 244-265 (1992).
35. Manne, S. & Gaub, H.E. Molecular Organization of Surfactants at Solid-Liquid Interfaces.
Science 270, 1480-1482 (1995).
36. Atkin, R., Craig, V.S.J., Wanless, E.J. & Biggs, S. Mechanism of cationic surfactant adsorption at the solid-aqueous interface. Adv Colloid Interface Sci 103, 219-304 (2003). 37. Pashley, R.M. & Israelachvili, J.N. A comparison of surface forces and interfacial properties
of mica in purified surfactant solutions. Colloids and Surfaces 2, 169-187 (1981).
38. Kékicheff, P., Christenson, H. & Ninham, B. Adsorption of cetyltrimethylammonium bromide to mica surfaces below the critical micellar concentration. Colloids and Surfaces 40, 31-41 (1989).
39. Kozlovsky, Y., Chernomordik, L.V. & Kozlov, M.M. Lipid intermediates in membrane fusion: formation, structure, and decay of hemifusion diaphragm. Biophys J 83, 2634-2651 (2002).
40. The hemifusion intermediate and its conversion to complete fusion: regulation by membrane composition. (1995).
41. Helm, C.A., Israelachvili, J.N. & McGuiggan, P.M. Role of hydrophobic forces in bilayer adhesion and fusion. Biochemistry 31, 1794-1805 (1992).
42. Helm, C., Israelachvili, J. & McGuiggan, P. Molecular mechanisms and forces involved in the adhesion and fusion of amphiphilic bilayers. Science 246, 919-922 (1989).
43. Yoshizawa, H., Chen, Y.L. & Israelachvili, J. Fundamental mechanisms of interfacial friction. 1. Relation between adhesion and friction. The Journal of Physical Chemistry 97, 4128-4140 (1993).
44. Liu, Y., Evans, D.F., Song, Q. & Grainger, D.W. Structure and Frictional Properties of Self-Assembled Surfactant Monolayers. Langmuir 12, 1235-1244 (1996).
45. Blom, A., Drummond, C., Wanless, E.J., Richetti, P. & Warr, G.G. Surfactant Boundary Lubricant Film Modified by an Amphiphilic Diblock Copolymer. Langmuir 21, 2779-2788 (2005).
46. Richetti, P., Drummond, C., Israelachvili, J., In, M. & Zana, R. Inverted stick-slip friction.
Europhys.Lett 55, 653
47. Drummond, C., Israelachvili, J. & Richetti, P. Friction between two weakly adhering boundary lubricated surfaces in water. Phys. Rev. E 67, 066110 (2003).
48. Drummond, C., Elezgaray, J. & Richetti, P. Behavior of adhesive boundary lubricated surfaces under shear: A new dynamic transition. Europhys.Lett 58, 503 (2002).
81 49. Fleer, G.J. Polymers at interfaces. (Springer: 1993).
50. Robelin, C. Comportement à une interface solide de solutions mixtes polymère-tensioactif = Behavior at a solid/liquid interface of polymer-surfactant mixtures.
51. Rubinstein, M. & Colby, R.H. Polymer physics. (2003). 52. Flory, P. Principles of Polymer Chemistry. (1953).
53. Alexander, S. Adsorption of chain molecules with a polar head a scaling description. Journal
de Physique 38, 5 pages (1977).
54. de Gennes, P.G. Conformations of Polymers Attached to an Interface. Macromolecules 13, 1069-1075 (1980).
55. Milner, S.T., Witten, T.A. & Cates, M.E. A Parabolic Density Profile for Grafted Polymers.
Europhys. Lett. 5, 413-418 (1988).
56. Milner, S.T., Witten, T.A. & Cates, M.E. Theory of the grafted polymer brush.
Macromolecules 21, 2610-2619 (1988).
57. MILNER, S.T. Polymer Brushes. Science 251, 905-914 (1991).
58. Taunton, H.J., Toprakcioglu, C., Fetters, L.J. & Klein, J. Interactions between surfaces bearing end-adsorbed chains in a good solvent. Macromolecules 23, 571-580 (1990).
59. Klein, J. Long-ranged surface forces:the structure and dynamics of polymers at interfaces.
Pure Appl Chem 64, 1577-1584
60. Klein, J., Kumacheva, E., Mahalu, D., Perahia, D. & Fetters, L.J. Reduction of frictional forces between solid surfaces bearing polymer brushes. Nature 370, 634-636 (1994).
61. Schorr, P.A., Kwan, T.C.B., Kilbey, S.M., Shaqfeh, E.S.G. & Tirrell, M. Shear Forces between Tethered Polymer Chains as a Function of Compression, Sliding Velocity, and Solvent Quality. Macromolecules 36, 389-398 (2003).
62. Schorr, P.A., Kwan, T.C.B., Kilbey, S.M., Shaqfeh, E.S.G. & Tirrell, M. Shear Forces between Tethered Polymer Chains as a Function of Compression, Sliding Velocity, and Solvent Quality. Macromolecules 36, 389-398 (2003).
63. Balastre, M. et al. A Study of Polyelectrolyte Brushes Formed from Adsorption of Amphiphilic Diblock Copolymers Using the Surface Forces Apparatus. Macromolecules 35, 9480-9486 (2002).
64. Tamashiro, M.N. et al. Salt dependence of compression normal forces of quenched polyelectrolyte brushes. J. Chem. Phys. 115, 1960 (2001).
65. Liberelle, B. & Giasson, S. Friction and Normal Interaction Forces between Irreversibly Attached Weakly Charged Polymer Brushes†. Langmuir 24, 1550-1559 (2008).
66. Abraham, T., Giasson, S., Gohy, J.F. & Jérôme, R. Direct Measurements of Interactions between Hydrophobically Anchored Strongly Charged Polyelectrolyte Brushes. Langmuir
16, 4286-4292 (2000).
67. Rabin, Y., Fredrickson, G.H. & Pincus, P. Compression of grafted polyelectrolyte layers.
Langmuir 7, 2428-2430 (1991).
68. Ballauff, M. & Borisov, O. Polyelectrolyte brushes. Current Opinion in Colloid & Interface
Science 11, 316-323 (2006).
69. Pincus, P. Colloid stabilization with grafted polyelectrolytes. Macromolecules 24, 2912-2919 (1991).
70. de Gennes, P.G. Polymers at an interface; a simplified view. Advances in Colloid and
Interface Science 27, 189-209 (1987).
71. Kuhl, T.L., Leckband, D.E., Lasic, D.D. & Israelachvili, J.N. Modulation of interaction forces between bilayers exposing short-chained ethylene oxide headgroups. Biophys. J 66, 1479-1488 (1994).
72. Dolan, A.K. & Edwards, S.F. Theory of the Stabilization of Colloids by Adsorbed Polymer.
Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences 337, 509-516 (1974).
82
73. Klein, J. Shear, Friction, and Lubrication Forces Between Polymer-Bearing Surfaces. Annu.
Rev. Mater. Sci. 26, 581-612 (1996).
74. Chen, M., Briscoe, W.H., Armes, S.P. & Klein, J. Lubrication at Physiological Pressures by Polyzwitterionic Brushes. Science 323, 1698-1701 (2009).
75. Dhinojwala, A., Cai, L. & Granick, S. Critique of the Friction Coefficient Concept for Wet (Lubricated) Sliding†. Langmuir 12, 4537-4542 (1996).
76. Ajdari, A., Brochard-Wyart, F., Gay, C., Gennes, P.D. & Viovy, J. Drag on a Tethered Chain Moving in a Polymer Melt. Journal de Physique II 5, 5 pages (1995).
77. Adjari, A. et al. Slippage of an entangled polymer melt on a grafted surface. Physica A:
Statistical Mechanics and its Applications 204, 17-39 (1994).
78. Raviv, U. et al. Lubrication by charged polymers. Nature 425, 163-165 (2003).
79. Raviv, U. et al. Normal and Frictional Forces between Surfaces Bearing Polyelectrolyte Brushes. Langmuir 24, 8678-8687 (2008).
80. De Gennes, P.G. Polymer solutions near an interface. Adsorption and depletion layers.
Macromolecules 14, 1637-1644 (1981).
81. Aubouy, M., Guiselin, O. & Raphael, E. Scaling Description of Polymer Interfaces: Flat Layers. Macromolecules 29, 7261-7268 (1996).
82. Bremmell, K.E., Jameson, G.J. & Biggs, S. Polyelectrolyte adsorption at the solid/liquid interface: Interaction forces and stability. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects 139, 199-211 (1998).
83. Claesson, P.M., Poptoshev, E., Blomberg, E. & Dedinaite, A. Polyelectrolyte-mediated surface interactions. Advances in Colloid and Interface Science 114-115, 173-187 (2005). 84. Robelin, C., Duval, F.P., Richetti, P. & Warr, G.G. Grafting of Diblock Copolymers onto
Adsorbed Surfactant Films. Langmuir 18, 1634-1640 (2002).
85. Drummond, C., In, M. & Richetti, P. Behavior of adhesive boundary lubricated surfaces under shear: Effect of grafted diblock copolymers. The European Physical Journal E: Soft
Matter and Biological Physics 15, 159-165 (2004).
86. Freeman, M.E., Furey, M.J., Love, B.J. & Hampton, J.M. Friction, wear, and lubrication of hydrogels as synthetic articular cartilage. Wear 241, 129-135 (2000).
87. Ishikawa, Y., Hiratsuka, K. & Sasada, T. Role of water in the lubrication of hydrogel. Wear
261, 500-504 (2006).
88. Caravia, L., Dowson, D., Fisher, J., Corkhill, P.H. & Tighe, B.J. Friction of hydrogel and polyurethane elastic layers when sliding against each other under a mixed lubrication regime.
Wear 181-183, 236-240 (1995).
89. Gong, J., Higa, M., Iwasaki, Y., Katsuyama, Y. & Osada, Y. Friction of Gels. The Journal of
Physical Chemistry B 101, 5487-5489 (1997).
90. Gong, J.P., Kagata, G. & Osada, Y. Friction of Gels. 4. Friction on Charged Gels. The
Journal of Physical Chemistry B 103, 6007-6014 (1999).
91. Gong, J., Iwasaki, Y., Osada, Y., Kurihara, K. & Hamai, Y. Friction of Gels. 3. Friction on Solid Surfaces. The Journal of Physical Chemistry B 103, 6001-6006 (1999).
92. Gong, J. & Osada, Y. Gel friction: A model based on surface repulsion and adsorption. J.
Chem. Phys. 109, 8062 (1998).
93. Benz, M., Chen, N. & Israelachvili, J. Lubrication and wear properties of grafted polyelectrolytes, hyaluronan and hylan, measured in the surface forces apparatus. Journal of