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Jennifer Macron
To cite this version:
Jennifer Macron. Hydrogels en milieux immergés : de l’adhésion macroscopique aux mécanismes moléculaires. Polymères. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. Français. �NNT : 2014PA066400�. �tel-01102383v2�
THÈSE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Chimie et Physico-Chimie des Polymères (ED 397, Physique et Chimie des Matériaux)
Présentée par
Jennifer MACRON
Pour obtenir le grade de
D
OCTEUR DE L’U
NIVERSITEP
IERRE ETM
ARIEC
URIESujet de la thèse :
Hydrogels en Milieux Immergés :
De l’Adhésion Macroscopique aux Mécanismes Moléculaires
Soutenue le 12 décembre 2014 devant le jury composé de :
M. Laurent Billon Professeur, Université de Pau et de Pays de
l’Adour Rapporteur
Mme Florence Petit-Agnély Professeur, Université Paris-Sud 11 Rapporteur M. Tristan Baumberger Professeur, Université Paris-Diderot Examinateur Mme Tatiana Budtova Maître de Recherche, Mines ParisTech Examinateur M. Costantino Creton Directeur de Recherche, ESPCI ParisTech Directeur de thèse M. Dominique Hourdet Professeur, UPMC-ESPCI ParisTech Co-directeur de thèse Mme Yvette Tran Maître de Conférences, ESPCI ParisTech Invité
Je tiens à remercier tout d’abord Christian Frétigny, directeur du laboratoire Sciences et Ingénierie de la Matière Molle de l’ESPCI ParisTech, de m’avoir accueilli et fourni les éléments nécessaires à la bonne marche de mon travail de recherche au cours de ces trois année de thèse.
Je remercie très chaleureusement mes deux directeurs de thèse, Costantino Creton et Dominique Hourdet, de m’avoir fait confiance en m’offrant l’opportunité de travailler sur ce sujet pluridisciplinaire, aussi vaste qu’enrichissant. Leur complémentarité scientifique et leurs qualités humaines furent de réels atouts face aux défis expérimentaux à relever. J’ai énormément appris de part nos discussions et grâce aux nombreuses conférences auxquelles j’ai pu participer tant en France (les Houches et Aussois), qu’à l’étranger (San Francisco, Jackson Hole, San Diego aux Etats-Unis et Chiang Mai en Thaïlande).
J’adresse également mes plus sincères remerciements à Yvette Tran pour son implication bienveillante et enthousiaste dans ce travail. Sa connaissance du sujet, sa disponibilité et ses conseils avisés ont nourri de nombreuses discussions qui ont largement contribués à la meilleure compréhension des phénomènes étudiés.
Mes remerciements vont également aux membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont témoigné à l’égard de mon travail. Merci en particulier à Florence Petit-Agnély et à Laurent Billon d’avoir accepté de rapporter ce manuscrit. Merci à Tatiana Budtova qui a enrichi la discussion par la pertinence de ses questions et à Tristan Baumberger pour avoir présidé ce jury.
Je souhaite adresser ma reconnaissance à ceux qui ont contribué à ce travail. Merci tout d’abord à Guillaume Sudre, le premier thésard à s’être attelé à l’étude de l’adhésion immergée d’hydrogels au laboratoire, pour ses conseils précieux quant à l’utilisation de la fameuse boîte. Un grand merci à Bruno Bresson pour l’obstination dont il a fait preuve dans les mesures difficiles d’AFM liquide sur les hydrogels macroscopiques. Merci également à Ludovic Olanier pour la fabrication des pièces sur mesure qui ont contribué à faire évoluer le système de mesure initial, à « ma » stagiaire, Fadoi Boujioui, dont le travail, associé à sa bonne humeur, a permis d’étoffer le contenu du chapitre 5. Je lui souhaite de très beaux résultats dans son travail de thèse qui commence tout juste en Belgique. Je remercie Joanne Xie et Robert Pansu de l’ENS Cachan pour m’avoir bien accueilli au sein de leur laboratoire et initiée aux joies de la fluorescence. Merci à Benjamin Chollet pour son aide dans la synthèse des films minces de gels et pour son stoïcisme face à mes tentatives humoristiques infructueuses. Merci à David Martina pour son expertise sur la mise en place de montages expérimentaux et à Robin Masurel pour m’avoir initiée, non sans mal, à la simulation sur MathLab !
J’aimerai remercier tout particulièrement Etienne Ducrot pour ses conseils au labo, son soutien dans l’analyse des résultats et ses encouragements sans faille. Ces trois années passées au PPMD- SIMM n’auraient pas été les mêmes sans sa bonne humeur, sa générosité à toute épreuve et son gainage légendaire.
Lors de cette thèse, j’ai eu la chance de collaborer avec l’équipe du Professeur Nitash Balsara à Berkeley. Je lui exprime toute ma gratitude ainsi qu’à Katherine Harry pour leur accueil lors de mes deux séjours et pour m’avoir fait découvrir le domaine des batteries au lithium. Je remercie également Antoine Chateauminois pour son aide sur la mise en place du montage de JKR.
Au cours de ma thèse, j’ai eu la plaisir de pouvoir enseigner à l’UPMC dans le cadre du monitorat.
Je tiens à remercier les enseignants qui m’ont fait confiance et ceux avec qui j’ai partagé un certain nombre de TP : Christophe Desmarets, Guillaume Vives, Franck Ferreira, Karine Le Guen et Patrick Gredin.
J’ai eu le plaisir d’effectuer ma thèse dans un laboratoire particulièrement propice aux échanges, qu’ils soient scientifiques ou non, avec les permanents et les non-permanents. A tous, j’adresse mes plus sincères remerciements.
A Hélène et Laurence, merci pour les pauses « chocolat » du bout du couloir, un réconfort certain en pleine période de rédaction !
Merci à mes co-bureau successifs, Aurélie, Mengxing, Guéba, Séverine, Clémence, Natacha et Quentin, aux « boys bands » des bureaux d’en face, David, François, Etienne, Koichi, Benjamin, Pierre, Robert, Basile, Peiluo, Robin, Davide, dont l’humour et la décontraction seront difficilement égalables par les générations suivantes (et c’est sans doute mieux !!). Merci à Paul, Xavier, Yannick, Guillaume, Solenn, Lucie, Sandrine, Rémi, Pauline, Eric, Hui, Marc, Pascaline, Marine et tout ceux avec qui j’ai passé d’excellents moments autour d’une soupe Royco et d’une grille de mots croisés, d’une bière et de quelques pas endiablés. Je souhaite bonne chance à tous les futurs docteurs !
Je remercie mes parents pour leur soutien et pour leur présence au cours de toutes ces années. Ils ont éveillé en moi la curiosité, l’envie d’apprendre et de ne jamais abandonner malgré les difficultés éventuelles. Merci à mes deux frères, Jonathan et Tom, les « beuddies », pour leur présence indispensable et irremplaçable. Enfin je tiens à remercier de tout cœur Benjamin qui a su m’accompagner/supporter au cours de cette aventure et me transmettre son optimisme à toute épreuve. Merci d’être toi.
L ISTE DES ABBRÉVIATIONS
AAc Acide Acrylique
AAm Acrylamide
AD N Acide désoxyribonucléïque
AFM Microscopie à Force Atomique (Atomic Force Microscopy) AMPS Acide sulfonique 2-acrylamido-2-méthylpropane
DMA N,N-diméthylacrylamide
CS Chondroïtin Sulfate
DSC Calorimétrie Différentielle à Balayage
DOPA (3,4-dihydroxy-L-phénylalanine)
EDC 1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide
eq Etat d’équilibre de gonflement
EtOH Ethanol
GPS 3-glycidoxypropyltriméthoxysilane
HCl Acide Chlorhydrique
HCOOH Acide méthanoïque
IR Spectroscopie Infrarouge
JKR Johnson, Kendall et Roberts
KPS Persulfate de potassium
MBA N,N’-méthylène-bis-acrylamide
MeOH Méthanol
mol% Pourcentage molaire
NaCl Chlorure de sodium
NHS N-hydrosuccinimide
NIPAAm N-isopropylacrylamide
PEG Poly(éthylène glycol)
PAAc Poly(acide acrylique)
PAAm Polyacrylamide
P(AAm-co-Allyl) Poly(acrylamide-co-allylaminehydrochlorure)
PBS Solution de tampon borophosphate
PDMS Poly(diméthylsiloxane)
PDMA Poly(N,N-diméthylacrylamide)
PHEMA Poly(hydroxyéthyl acrylate)
PMAA Poly(acide méthacrylique)
PMAETAC Poly(2-(diméthylamino)éthyl méthacrylate)
P(MAETAC-co-AAm) Poly(2-(diméthylamino)éthyl méthacrylate-co-acrylamide)
PNIPAAm Poly(N-isopropylacrylamide)
PtBuA Poly(tertiobutyl acrylate)
prep Etat de préparation
PVA Poly(vinyl alcool)
PVP Poly(N-vinyl-2_ pyrrolidine)
QNM Quantitative NanoMechanics
RMN1H Résonance Magnétique Nucléaire Proton
SEC Chromatographie d’exclusion stérique
(SH)2 1,4-dithiolérythritol
TEMED N,N,N’,N’-tétraméthylènediamine
THF Tétrahydrofurane
TiO2 Dioxyde de Titane
UV Ultra-violet
vol% Pourcentage volumique
wt% Pourcentage massique
Introduction Générale
... 1Chapitre 1
– Hydrogel et Adhésion : Au Fil de l’Eau ... 5Introduction... 7
1. Hydrogels de polymères... 8
1.1. Définition, synthèse et caractéristiques générales... 8
1.2. Gonflement des hydrogels... 11
1.2.1. Aspect thermodynamique... 11
1.2.2. Aspect cinétique ... 13
1.3. Structure de l’eau dans les hydrogels... 15
2. Interactions et mécanismes responsables de l’adhésion... 18
2.1. Interactions moléculaires... 18
2.2. Mécanismes physiques à l’origine de l’adhésion ... 21
3. Comment mesurer l’adhésion d’un hydrogel sous l’eau ? ... 25
3.1. Mesure par Microscopie à Force Atomique (AFM)... 25
3.2. Détermination macroscopique de l’adhésion... 27
3.3. Dispositif expérimental de Sudre et al... 30
3.3.1. Description détaillée ... 30
3.3.2. Hétérogénéités de concentration en surface ... 32
3.3.3. Réversibilité de l’adhésion en fonction du pH... 33
3.4. Adhésion et gonflement : un effet de concentration ?... 34
4. Objectifs de la thèse... 37
Bibliographie... 39
1. Physico-chimie du système ... 48
1.1. Brosses et films minces de polymères ... 48
1.2. Hydrogels macroscopiques ... 53
1.2.1. Synthèse à partir de monomères ... 53
1.2.2. Caractérisation mécanique de la structure des gels ... 57
1.3. Caractérisation de la cinétique de gonflement des hydrogels ... 65
1.3.1. Gonflement des gels neutres de PDMA ... 65
1.3.2. Gonflement des gels ioniques de P(MAETAC-co-AAm) ... 73
1.3.3. Conséquences sur la topographie de la surface du gel... 78
1.4. Conclusion ... 83
2. Test de Probe-Tack ... 84
2.1. Principe de la mesure ... 84
2.2. Modifications apportées au dispositif de maintien ... 86
2.3. Critère d’alignement des surfaces ... 88
2.4. Influence des paramètres de mesure ... 92
2.4.1. Vitesse d’enfoncement en compression ... 92
2.4.2. Force de compression ... 93
2.4.3. Temps de contact ... 96
2.4.4. Vitesse de décollement ... 97
2.5. Définition des paramètres de référence ...101
3. Conclusion ...102
Bibliograhie ...103
1. Adhésion et gonflement...108
1.1. Principe de test d’adhésion ...108
1.2. Résultats et Discussion ...109
2. Suivi cinétique d’adhésion de PDMA_P10-R2...112
2.1. Principe du test cinétique ...112
2.2. Résultats...112
2.3. Discussion ...116
2.3.1. Conséquences du maintien par plaque...116
2.3.2. Concentration et perte d’adhésion...119
2.4. Conclusion...121
3. Adhésion et réversibilité...122
4. Comparaison à d’autres hydrogels neutres...124
5. Adhésion en conditions physiologiques ...126
5.1. Propriétés de gonflement...126
5.2. Principe de test d’adhésion ...128
5.3. Résultats et Discussion ...128
6. Conclusion ...134
Bibliographie...135
Chapitre 4
– Adhésion et Mécanismes... 137Introduction...139
1. Influence du taux de réticulation sur l’adhésion immergée...140
2. Influence de la concentration en polymère sur l’adhésion ...144
2.1. Suivis cinétiques d’adhésion de PDMA_P𝒙-R3 ...144
2.2. Adhésion et hydratation ...148
3. Interprétations moléculaires...155
4. Conclusion...160
Bibliographie...161
Chapitre 5
- Variations sur le Système : Vers un Contrôle de l’Adhésion Macroscopique:... 163Introduction...165
1. Influence du milieu d’immersion...167
2. Modification des gels macroscopiques ...169
2.1. Synthèse du gel à partir de chaînes linéaires de polymères...169
2.2. Etude d’un système moins hydrophile : le PHEMA...174
2.3. Adhésion par interactions ioniques ...177
2.4. Conclusion...181
3. Adhésion gel/gel...182
3.1. Etude comparée des systèmes neutres gel/brosse et gel/gel...182
3.2. Comparaison des systèmes gel/gel neutre et gel/gel ionique...188
4. Conclusion...191
Bibliographie...192
Conclusion Générale et Perspectives
... 193Liste des Références
... 197Annexe : Synthèse des Surfaces Modèles
..... iI NTRODUCTION GÉNÉRALE
2
Les hydrogels synthétiques possèdent de nombreuses propriétés remarquables, parmi lesquelles la biocompatibilité, la transparence et la déformabilité, qui laissent entrevoir un large champ d’applications. Dans le domaine biomédical, leur utilisation comme colles tissulaires ou systèmes de délivrance contrôlée de substances médicamenteuses, est soumise à l’existence d’une adhésion chimique ou physique avec la muqueuse, devant être maintenue durant la totalité du traitement, éventuellement en présence d’eau.
L’adhésion est un terme général utilisé pour caractériser les interactions spécifiques créées à l’interface entre deux matériaux différents alors que l’adhérence se définit comme l’énergie à fournir pour séparer deux surfaces en contact. Cette dernière est liée en particulier aux mécanismes de dissipation mis en jeu lors de la rupture de l’interface établie. Si l’adhésion chimique des gels, irréversible, implique la création de liaisons covalentes entre le matériau synthétique et la surface ciblée, l’adhésion physique est basée sur la formation d’interactions énergétiquement plus faibles, comme les liaisons hydrogène ou les interactions électrostatiques.
Ces interactions sont réversibles sous l’action d’un stimulus extérieur, un changement de pH ou l’application d’un champ électrique par exemple. La relation entre les interactions moléculaires, telles qu’elles peuvent être observées en solution, et l’adhésion entre deux surfaces reste très mal comprise ; l’influence collective des liaisons s’établissant à l’interface semble nettement plus complexe dans l’eau que dans l’air, où la notion d’énergie de surface domine le comportement.
Un certain nombre de travaux a montré qu’il est possible d’améliorer considérablement l’adhésion physique des hydrogels dans l’air, en fonction de la nature des interactions mises en jeu et de la structure du réseau polymère. L’incorporation de chaînes pendantes qui pénètrent plus facilement la surface, en formant des enchevêtrements à l’intérieur du matériau, permet par exemple de créer une interphase hydrogel/muqueuse plus diffuse ; la probabilité de former des interactions favorables dans ce volume plus grand implique l’augmentation de l’adhésion du système.
L’effet de telles modifications reste toutefois limité lorsque le contact est effectué en présence d’eau. Les propriétés du solvant entraînent l’écrantage de la majorité des interactions physiques, impliquées dans l’adhésion des gels dans l’air, en particulier les effets liés à la tension de surface.
Si elle n’est pas nulle, l’énergie d’adhésion mesurée dans l’eau est très faible, de l’ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mJ.m-2. Pour envisager d’améliorer les performances adhésives de ces systèmes en environnement humide, il est nécessaire de s’interroger sur les éléments clés dont dépend l’adhérence des gels dans l’eau. Si l’adhésion est directement liée à la
3 probabilité de l’hydrogel de former des interactions faibles avec la surface ciblée, de quels paramètres dépend cette probabilité ? Quelle peut être par exemple l’influence de l’épaisseur de l’interphase, c’est-à-dire de la distance d’interpénétration des chaînes polymères ? Y a-t-il une concentration en polymère limite en deçà de laquelle le nombre d’interactions créées est trop faible pour permettre une adhésion du système ? A l’échelle moléculaire, comment se traduit une modification des propriétés mécaniques du gel du point de vue de l’adhésion immergée ?
Par ailleurs, en solution aqueuse, les interactions hydrophiles polymère/eau sont responsables d’un phénomène de succion osmotique : le gel immergé, initialement à l’état de préparation (hors équilibre), absorbe une certaine quantité d’eau, jusqu’à atteindre son état de gonflement d’équilibre thermodynamique. En général, un gel gonflé à l’équilibre est nettement moins collant qu’un gel dans son état de préparation. Quels sont les mécanismes moléculaires responsables de cette perte d’adhésion macroscopique ?
A partir de systèmes modèles parfaitement caractérisés, composés d’un hydrogel et d’une surface mince de polymère greffé, mettant en jeu des interactions faibles, nous proposons d’apporter des éléments de réponse à ces diverses interrogations, pour tenter de dégager les paramètres essentiels qui pilotent l’adhésion à l’échelle macroscopique d’un hydrogel en milieu immergé.
Pour cela, nous discuterons de l’influence des paramètres physico-chimiques des hydrogels sur l’évolution cinétique de leur adhésion en milieu aqueux. Nous modifierons également la nature chimique de l’interphase créée avec la surface modèle mince ; en proposant des systèmes basés sur des interactions faibles de nature et d’énergie différentes (liaisons hydrogène, interactions ioniques, interactions hydrophobes) nous souhaitons déterminer quel type d’interactions conduit à quel type d’adhérence macroscopique. Nous pourrons finalement faire varier la nature physique de l’interphase, qui conditionne la distance d’interpénétration des chaînes polymères, en comparant le comportement d’un hydrogel au contact d’une surface dure d’une part et d’une surface molle d’autre part.
Ce manuscrit est divisé en cinq chapitres :
Le premier chapitre bibliographique est consacré à une présentation générale de la problématique de l’adhésion des hydrogels dans l’eau et à la description du dispositif expérimental précédemment mis au point au laboratoire, utilisé dans le cadre de cette thèse pour effectuer les mesures d’adhésion.
4
Le second chapitre est dédié à la préparation des surfaces minces (brosses de polymère et films d’hydrogels) et à l’élaboration des hydrogels macroscopiques neutres et ioniques dont les propriétés structurales, mécaniques et de gonflement sont étudiées. Les modifications apportées au test initial pour permettre une mesure d’adhésion reproductible quel que soit le gonflement du gel sont également détaillées.
Dans la troisième partie, nous quantifions en milieu aqueux la perte cinétique d’adhésion d’un système gel/brosse interagissant par liaisons hydrogène en solution acide. Le chapitre 3 s’attache à l’étude détaillée du protocole de suivi cinétique d’adhésion entre l’état de préparation et l’état de gonflement à l’équilibre pour un cas particulier, correspondant à une unique composition physico-chimique de l’hydrogel neutre. Dans le chapitre 4, nous discutons l’hypothèse de dilution en déterminant l’impact d’une diversification de la composition du gel (concentration en polymère et taux de réticulation).
Dans le chapitre 5, nous complétons le travail effectué en étudiant l’influence sur l’adhésion macroscopiques des systèmes en modification d’une part la nature des interactions mises en jeu entre les deux surfaces et d’autre part le type de contact réalisé, en l’occurrence entre deux surfaces molles et déformables.
Les apports de ce travail sont finalement rappelés en conclusion et accompagnés de perspectives.
CHAPITRE 1
H YDROGELS ET ADHÉSION : AU FIL DE L’EAU
6
Introduction ... 7
1. Hydrogels de polymères ... 8
1.1. Définition, synthèse et caractéristiques générales ... 8
1.2. Gonflement des hydrogels ... 10
1.2.1. Aspect thermodynamique ... 11
1.2.2. Aspect cinétique ... 13
1.3. Structure de l’eau dans les hydrogels ... 15
2. Interactions et mécanismes responsables de l’adhésion ... 18
2.1. Interactions moléculaires ... 18
2.2. Mécanismes physiques à l’origine de l’adhésion ... 21
3. Comment mesurer l’adhésion d’un hydrogel sous l’eau ? ... 25
3.1. Mesure par Microscopie à Force Atomique (AFM) ... 25
3.2. Détermination macroscopique de l’adhésion ... 27
3.3. Dispositif expérimental de Sudre et al. ... 30
3.3.1. Description détaillée ... 30
3.3.2. Hétérogénéités de concentration en surface ... 32
3.3.3. Réversibilité de l’adhésion en fonction du pH... 33
3.4. Adhésion et gonflement : un effet de concentration ? ... 34
4. Objectifs de la thèse ... 37
Bibliographie ... 39
7
Introduction
L’élaboration d’hydrogels adhésifs, constitue un enjeu majeur en recherche biomédicale pour la conception de dispositifs novateurs utilisés en environnement humide, tels que les patches transdermiques ou les pansements cicatriciels.
En raison de leurs nombreuses propriétés, parmi lesquelles la biocompatibilité, la déformabilité ou encore leur capacité à absorber de grandes quantités d’eau, les hydrogels font l’objet d’une abondante littérature. La première partie de ce chapitre permettra de définir leurs caractéristiques et leurs modes de synthèse. Compte-tenu de leur forte teneur en eau, l’organisation structurelle du solvant dans les hydrogels et son influence sur les interactions polymère/polymère seront également décrites.
Par ailleurs, l’étude des propriétés adhésives des hydrogels nécessite au préalable une bonne connaissance des mécanismes et des interactions responsables de manière générale de l’adhésion macroscopique, décrits dans la deuxième partie. Nous aborderons les raisons des difficultés à concevoir un système polymère collant en présence d’eau.
Un certain nombre de dispositifs expérimentaux permettent de quantifier l’adhésion sous l’eau.
Cependant les difficultés liées à une mesure en solution sur un matériau mou justifient le nombre restreint de références relatives à l’adhésion immergée d’hydrogels. Nous présenterons les résultats de la thèse de Guillaume Sudre qui serviront de point de départ à notre travail pour répondre aux objectifs fixés.
Nous souhaitons dans un premier temps approfondir la compréhension fondamentale des phénomènes impliqués dans l’adhésion des hydrogels en milieu immergé pour dégager les paramètres pertinents qui permettront dans un second temps d’améliorer les performances adhésives de systèmes particuliers.
Pour finir, la stratégie choisie pour répondre à la problématique sera explicitée.
8
1. Hydrogels de polymères
1.1. Définition, synthèse et caractéristiques générales
Un hydrogel est un réseau macromoléculaire tridimensionnel composé de chaînes de polymères hydrophiles, interconnectées entre elles par des nœuds de réticulation de nature chimique ou physique. Il est gonflé dans l’eau, qui représente généralement plus de 80 % de la masse totale du gel, ce qui lui confère des propriétés de biocompatibilité [1].
La synthèse des hydrogels peut être envisagée selon deux voies principales. La première consiste en la polymérisation et la réticulation simultanées d’un monomère de fonctionnalité égale à 2 et d’un réticulant de fonctionnalité au moins égale à 3 (Figure 1.1-a).
Cette méthode, en une seule étape, permet une grande liberté dans le choix de la composition de l’hydrogel (nature chimique, concentration en monomère et densité de réticulant). Elle présente en revanche l’inconvénient de donner au gel une structure assez hétérogène aussi bien en surface qu’en volume.
Le gel peut également être préparé par réticulation de macromolécules linéaires préformées, éventuellement fonctionnalisées lors d’une première étape de synthèse par des fonctions chimiques réactives (Figure 1.1-b). La structure obtenue est plus homogène mais la méthode est moins versatile et en particulier plus délicate à mettre en œuvre dans le cas de la synthèse de copolymères.
Figure 1.1 Synthèse d’hydrogels par polymérisation et réticulation simultanées à partir de monomères (a) et par réticulation de chaînes polymères fonctionnalisées (b).
9 Dans les deux cas, la structure de l’hydrogel obtenue après synthèse (Figure 1.2) varie avec la nature du polymère, la densité de réticulation, la taille de la maille ou encore la présence de défauts éventuels (boucles, chaînes pendantes, enchevêtrements,…). Ces divers paramètres contribuent directement aux propriétés de gonflement thermodynamique et cinétique des hydrogels, ainsi qu’à leurs propriétés élastiques, dont le module est généralement compris entre 103 et 105 Pa [2].
Figure 1.2 Représentation schématique d’un hydrogel de polymère gonflé dans l’eau, réticulé chimiquement ou physiquement et présentant différents types de défauts structuraux.
Dans le cas de la réticulation des gels physiques, les interactions mises en jeu sont réversibles et susceptibles d’être modifiées en changeant les conditions expérimentales (pH, température, force ionique) [3]. Il peut s’agir d’interactions faibles comme les liaisons hydrogène [4, 5], les interactions hydrophobes [6-8] ou les interactions ioniques [9-11] pour lesquelles le temps de vie est court en comparaison des temps caractéristiques d’observation. Bien que ces interactions élémentaires soient intrinsèquement faibles, leur coopérativité sur des séquences interactionnelles plus ou moins longues permet de générer des interactions fortes à l’origine de la réticulation des gels physiques (cristallites dans les gels de poly(vinyl alcool) (PVA), obtenus par congélation/décongélation successives [12], triples hélices dans les gels de gélatine [13]). Aux temps d’observation longs, les interactions sont stables.
La réticulation par formation de liaisons covalentes est quant à elle irréversible en l’absence de toute dégradation chimique. Elle est responsable d’un certain nombre de propriétés remarquables
10
des hydrogels, en particulier leur comportement de solides élastiques insolubles [14]. Cependant comparés aux élastomères, les hydrogels sont des matériaux fragiles, en raison de la grande quantité d’eau qu’ils contiennent.
Pour élaborer un mimétique de matrice extracellulaire utilisable en ingénierie tissulaire [15], les performances mécaniques des gels ont dû être améliorées [16]. Les différentes stratégies envisagées ont conduit à l’élaboration des gels contenant des charges inorganiques telles que des nanoparticules de silice [17] ou de Laponite [18], des ions jouant le rôle de nœuds de réticulation physiques supplémentaires dans un gel chimique à base d’alginate et de PVA [19] ou des nanofibres de Chitosan [20]. Gong et al. ont envisagé quant à eux la synthèse de doubles réseaux interpénétrés d’hydrogels, dans lesquels le deuxième réseau sert de réseau sacrificiel [21]. Ces modifications ont permis d’améliorer considérablement la contrainte à rupture des matériaux, atteignant plusieurs dizaines de MPa.
De manière plus générale, l’ensemble des caractéristiques des hydrogels explique leur présence dans de nombreux domaines d’application. Si leur biocompatibilité et leur transparence sont notamment utilisées pour la correction visuelle à l’aide de lentilles de contact [22, 23], leur grande capacité d’absorption leur vaut le statut de matériaux super-absorbants [24, 25]. Ils peuvent servir de support à la croissance cellulaire [26] ou à des dispositifs d’administration contrôlée de médicaments [27], être synthétisés pour l’encapsulation de principes actifs [28, 29] ou pour la conception de systèmes microfluidiques [30, 31].
En revanche, le caractère naturellement peu collant des hydrogels, dû à leur grande teneur en eau, en particulier lorsqu’ils sont gonflés à l’équilibre, freine encore leur développement en tant que bioadhésifs.
1.2. Gonflement des hydrogels
Lorsqu’un gel à l’état de préparation est immergé en solution, les interactions polymère/solvant sont responsables de son gonflement plus ou moins important, voire dans certains cas de son dégonflement. La détermination de la variation volumique de l’échantillon permet de caractériser d’une part l’architecture macromoléculaire du réseau, figée durant la synthèse, qui dépend des
11 concentrations initiales en monomère et en réticulant, et d’autre part l’affinité du gel avec le solvant.
Dans ce paragraphe, nous abordons les aspects thermodynamiques qui gouvernent l’expansion du gel ainsi que les conséquences de la diffusion dans les réseaux macroscopiques sur le temps nécessaire avant que l’équilibre complet soit établi.
1.2.1. Aspect thermodynamique
L’établissement de l’équilibre de gonflement d’un hydrogel provient de la compétition de deux effets contraires : la variation de la densité d’énergie de mélange lors du gonflement ∆𝑔𝑚𝑒𝑙, favorable à l’extension, et la variation du terme élastique ∆𝑔𝑒𝑙, défavorable [32-34]. Dans ces conditions, la variation de densité d’énergie libre du réseau lors du gonflement peut s’écrire :
∆𝑔=∆𝑔𝑚𝑒𝑙+∆𝑔𝑒𝑙 Eq 1.1
Selon la théorie de Flory, dans l’hypothèse d’une déformation isotrope du réseau, le terme de mélange est donné par l’équation suivante :
∆𝑔𝑚𝑒𝑙=𝑅𝑇
𝑉1 (ϕ1. lnϕ1+χ12.ϕ1.ϕ2) Eq 1.2
avec 𝑉1 le volume molaire du solvant (18.10-6 m3.mol-1 pour l’eau pure), 𝜙1 et 𝜙2 les fractions volumiques respectivement en solvant et en polymère dans le gel (𝜙1+𝜙2 = 1) et 𝜒12 le paramètre d’interaction de Flory pour le système binaire polymère/solvant.
Dans le cadre du modèle du réseau fantôme (James et Guth 1947), la variation de densité d’énergie libre élastique Δ𝑔𝑒𝑙 d’un réseau parfait s’exprime :
∆𝑔𝑒𝑙=�1−2 𝑓�
3𝑅𝑇𝜈 2 ��𝜙0
𝜙2�
2�3
−1� Eq 1.3
avec 𝑓 la fonctionnalité du réticulant, 𝜈 la concentration molaire en chaînes élastiquement actives et 𝜙0 la fraction volumique en polymère à l’état de préparation.
12
Pour un réseau idéal (Flory 1953), la concentration en chaînes élastiquement actives peut s’écrire :
𝜈= 𝜙2
𝑁𝑉1 Eq 1.4
avec 𝑁 le nombre moyen de segments équivalents entre deux points de réticulation.
A l’équilibre de gonflement, la pression osmotique au sein d’un gel neutre, notée Πgel, est égale à la pression osmotique à l’extérieur du gel, Πext, nulle dans le cas d’un solvant pur :
Πgel =Πmel+Πel= 𝜙22 𝜕
𝜕𝜙2�Δ𝑔𝑚𝑒𝑙𝜙+Δ𝑔𝑒𝑙
2 �=Πext= 0 Eq 1.5
Πgel= −RT
V1�ln(1− 𝜙2) +𝜙2+𝜒12𝜙22+�1−2 𝑓�
ϕ02�3ϕ21�3
𝑁 �= 0 Eq 1.6
Par combinaison des équations précédentes, l’expression de la pression osmotique d’un réseau idéal à l’équilibre de gonflement est obtenue (Eq 1.6), permettant ainsi la prédiction du gonflement théorique à l’équilibre de gonflement d’un gel idéal (𝑄𝑒𝑞 = 1⁄𝜙2) en fonction de la qualité du solvant (𝜒12), des conditions de synthèse (𝑄0 = 1⁄𝜙0) et de la proportion de chaînes élastiquement actives, proportionnelle à N s’exprimant comme :
𝑁=𝑀𝑋.𝜗𝑠𝑝é𝑝𝑜𝑙
𝑉1 Eq 1.7
avec 𝑀𝑋 la masse molaire moyenne entre nœuds de réticulation et 𝜗𝑠𝑝é𝑝𝑜𝑙 le volume spécifique du polymère.
Le gonflement volumique à l’état de préparation du gel 𝑄0 peut être calculé à partir de l’équation suivante :
𝑄0 = 1 +𝜗𝑠𝑝é𝑒𝑎𝑢
𝜗𝑠𝑝é𝑝𝑜𝑙 �𝑚𝑚𝑡𝑜𝑡
𝑝𝑜𝑙−1� =1 +𝜗𝑠𝑝é𝑒𝑎𝑢
𝜗𝑠𝑝é𝑝𝑜𝑙(Λ0−1) Eq 1.8
où 𝜗𝑠𝑝é𝑒𝑎𝑢 = 1 cm3.g-1 est le volume spécifique de l’eau pure, 𝑚𝑡𝑜𝑡 la masse totale du gel, 𝑚𝑝𝑜𝑙 la masse de polymère dans la formulation et Λ0 le gonflement massique du gel qui sera utilisé par la suite.
13 1.2.2. Aspect cinétique
Au-delà des valeurs limites à l’état de préparation et à l’état d’équilibre, la connaissance de la cinétique d’absorption d’eau par le gel au cours du gonflement est un résultat complémentaire, caractéristique des phénomènes de diffusion dans le réseau. Lorsqu’un gel est immergé en solution, les molécules d’eau commencent par gonfler la surface de l’échantillon puis diffusent vers le centre du gel, créant ainsi un gradient de concentration. Il s’agit de données importantes dans le domaine médical pour l’optimisation du transport de nutriments ou d’oxygène facilitant la cicatrisation de plaies [35, 36].
D’après la classification de Bajpai, la cinétique d’absorption d’eau, mise en évidence par la mesure de la quantité d’eau absorbée par l’hydrogel au cours du temps d’immersion, dépend de la vitesse de relaxation des chaînes de polymères par rapport à la vitesse de diffusion du solvant [37].
Lorsque la température de transition vitreuse est nettement en dessous de la température du milieu (Cas I), la grande mobilité des chaînes de polymères facilite la pénétration de l’eau dans le réseau. La vitesse de diffusion 𝑉𝑑𝑖𝑓𝑓 est très faible devant la vitesse de relaxation des chaînes 𝑉𝑟𝑒𝑙𝑎𝑥. La diffusion suit la loi de Fick.
Si au contraire la température du milieu est inférieure à la température de transition vitreuse, les chaînes de polymères ne sont pas suffisamment mobiles pour permettre une pénétration immédiate de l’eau dans le gel. Cette situation correspond à une diffusion non-Fickienne. Le cas où 𝑉𝑑𝑖𝑓𝑓 ≫ 𝑉𝑟𝑒𝑙𝑎𝑥 est décrit comme le Cas II. Si 𝑉𝑑𝑖𝑓𝑓~ 𝑉𝑟𝑒𝑙𝑎𝑥, la diffusion est dite anormale.
Le modèle décrit par Peppas et Ritger en 1987 prévoit le type de mécanisme de diffusion en fonction de la géométrie de l’échantillon et de la loi de puissance à partir de l’équation 1.9.
𝑀𝑡
𝑀∞= 𝑘𝑡𝑛 Eq 1.9
où 𝑀𝑡 et 𝑀∞ sont respectivement les gains en masse d’eau à l’instant t et à l’équilibre de gonflement (en grammes), 𝑘 est la constante de diffusion et 𝑛 l’exposant de diffusion.
14
Cette loi est valable dans le cadre de l’approximation des temps faibles, c’est-à-dire dans les premiers temps d’immersion, pour un rapport de gain en masse d’eau inférieur à 60 % [38]. Les valeurs de 𝑛 caractéristiques sont présentées dans le Tableau 1.1.
Exposant de diffusion 𝒏
Mécanisme de diffusion
Plaque Cylindre Sphère
0,50 0,45 0,43 Diffusion Fickienne (Cas I)
0,50 < 𝑛 <1 0,45 < 𝑛 <0,89 0,43 < 𝑛 <0,85 Diffusion anormale
1,00 0,89 0,85 Diffusion non-Fickienne (Cas II)
Tableau 1.1 Mécanismes de diffusion généraux pour des systèmes de géométrie variable qui gonflent en solution [35].
Dans le Cas I, la loi de Fick s’écrit :
𝜕𝐶
𝜕𝑡 − 𝐷∆𝐶= 0 Eq 1.10
où 𝐶 est la concentration de l’espèce diffusante, 𝐷 le coefficient de diffusion collectif de l’eau dans l’hydrogel (m².s-1) et ∆ l’opérateur Laplacien.
Dans l’hypothèse d’une diffusion unidirectionnelle de l’eau dans l’échantillon, suivant la direction 𝑥, l’équation 1.10 devient :
𝜕𝐶
𝜕𝑡 =𝐷𝜕2𝐶
𝜕𝑥2 Eq 1.11
Une solution à cette équation a été donnée par Crank et Nicolson sous forme de série trigonométrique en considérant une diffusion unidirectionnelle de l’eau dans un gel de géométrie plaque d’épaisseur 𝑒 [39]:
𝑀𝑡
𝑀∞= 1−� 8 (2𝑛+ 1)2𝜋2
∞ 𝑛=0
𝑒𝑥𝑝�−𝐷(2𝑛+ 1)2𝜋2
𝑒2 𝑡� Eq 1.12
Dans l’approximation où 𝑀𝑡⁄𝑀∞ < 0,6, Shen et Springer ont réduit l’équation 1.12 à [40] :
15 𝑀𝑡
𝑀∞= 4 𝑒�𝐷𝑡
𝜋 Eq 1.13
Connaissant l’épaisseur de l’échantillon, l’équation 1.13 donne accès à la valeur du coefficient de diffusion collectif de l’eau dans le gel dans le Cas I. Tanaka et al. ont déterminé les valeurs de coefficients de diffusion collectif dans des hydrogels de polyacrylamide (PAAm) de l’ordre de 3.10-11 m².s-1 [41]. Ces valeurs sont à comparer à celle du coefficient d’autodiffusion de l’eau moléculaire 𝐷0 = 2,29.10-9 m².s-1, déterminée expérimentalement à 25°C [42, 43]. Le coefficient de diffusion collectif peut d’être modifié par la force des interactions polymère/eau à l’origine de l’organisation structurelle du solvant dans les hydrogels.
1.3. Structure de l’eau dans les hydrogels
A l’état de préparation, les hydrogels sont déjà constitués en grande majorité par de l’eau. Le pourcentage d’eau augmente en général lorsque le gel atteint son équilibre de gonflement. Dans tous les cas, l’organisation structurale des molécules de solvant autour des chaînes de polymères, ou hydratation, est un paramètre à prendre en compte lorsque l’on étudie les interactions polymère/polymère en présence d’eau.
Une molécule d’eau est composée d’un atome d’oxygène, lié de manière covalente à deux atomes d’hydrogène. La différence d’électronégativité entre atomes est à l’origine de la formation de liaisons hydrogène entre molécules d’eau. Pour minimiser l’énergie du système, ces dernières sont susceptibles de s’orienter les unes par rapport aux autres, de sorte à former une structure organisée. Dans un hydrogel, en plus des interactions entre molécules de solvant, l’eau peut éventuellement interagir avec les chaînes de polymères constitutives du réseau.
Jhon et Andrade ont établi une classification en trois catégories distinctes de la nature de l’eau dans les hydrogels : l’eau libre (eau X), l’eau intermédiaire (eau Y) et l’eau liée (eau Z) [44]. Les molécules d’eau libres présentent une structure globalement similaire à celle de l’eau « bulk » ; les interactions de l’eau libre avec les chaînes de polymères sont négligeables. Le terme d’eau liée qualifie les molécules d’eau dont la structure est parfaitement organisée en sphères ou cages d’hydratation. L’eau interagit avec le polymère en formant des liaisons hydrogène fortes avec des groupements polaires ou des groupements ioniques portés par les chaînes du réseau. Enfin l’eau
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intermédiaire forme une couche peu organisée entre l’eau liée et l’eau libre et n’interagit que faiblement avec le polymère. Cette classification a été confirmée expérimentalement par DSC [45,46], par spectroscopie IR [47], par RMN [48, 49] et par diffraction de rayons X [50].
Ces différentes mesures ont établi que les trois catégories d’eau dans les hydrogels n’ont pas les mêmes propriétés. Si l’eau libre présente les mêmes caractéristiques que l’eau « bulk », il n’en est pas de même pour l’eau intermédiaire et l’eau liée. Ainsi Lee et al. ont montré qu’il était impossible de congeler l’eau liée contenue dans un hydrogel, aucune transition de phase n’étant observée en DSC, même en dessous de 173 K. Les températures de transition se situent respectivement autour de 273 K et 248 K pour l’eau libre et l’eau intermédiaire [45].
Par ailleurs, les molécules d’eau liée présentent des vitesses de réarrangement et de diffusion plus faibles que celles de l’eau « bulk ». L’organisation en cages autour des chaînes de polymères des molécules d’eau entraine une augmentation de la stabilité de la structure liée [51]. La sphère d’hydratation constitue une véritable barrière énergétique contre l’adsorption en surface des chaînes de polymères hydratées [51, 52]. Ce phénomène est appelé phénomène d’anti-fouling et il est largement utilisé pour limiter l’adsorption de protéines et de plaquettes en surface de matériaux polymères [53-56].
La quantité d’eau liée dépend de la nature du polymère et de la quantité totale d’eau contenue dans le gel. Morisaku et al. ont montré la relation directe entre une hydratation importante et une forte résistance à l’adsorption de protéines [46]. Si un hydrogel de poly(hydroxyéthylméthacrylate) (PHEMA) (~40 % d’eau), comptabilise cinq molécules d’eau liée par unité monomère, un gel de poly(vinylpyrrolidone) (PVP), contenant environ 70 % d’eau, n’en compte pas moins de quatorze par unité monomère [47].
Pour qu’il y ait interaction entre les chaînes de polymères et formation d’un complexe macromoléculaire, il est nécessaire que les sphères d’hydratation établies autour de chaque chaîne s’interpénètrent [57]. Cette interpénétration n’est possible qu’à deux conditions. Il faut premièrement que la distance entre les deux chaînes soit suffisamment faible pour que les molécules d’eau puissent se réorganiser (Figure 1.3).
17
Figure 1.3 Interpénétration des sphères d’hydratation des chaînes de polymères : la distance entre chaînes (a) ne permet pas l’interpénétration des cages, (b) permet une interpénétration partielle sans interaction polymère/polymère, (c) permet une interaction
polymère/polymère résultante de l’interpénétration des sphères d’hydratation [57]
Dans un deuxième temps, une partie de l’eau liée doit être expulsée (déshydratation de la cage) pour que l’interpénétration des deux sphères ait bien lieu. Kjekllander et Florin ont confirmé que le nombre de molécules d’eau liée dans la structure interpénétrée est plus faible que si les deux sphères d’hydratation sont totalement séparées [57]. Le phénomène d’expulsion est entropiquement favorisé, dans la mesure où le critère de la distance est satisfait. La formation de complexes macromoléculaires en solution fait l’objet de nombreuses discussions [58-60]. Tanaka et al. se sont interrogés sur l’influence de la longueur de chaîne et sur la force de la liaison hydrogène [58]. Li et al. ont effectué des mesures pour déterminer la nature des différentes liaisons hydrogène existantes dans un hydrogel de poly(acide acrylique) (PAAc) hydraté [60].
Lors d’une interaction polymère/polymère en solution, l’eau apparaît très clairement comme un troisième élément à part entière d’un système ternaire solvant/polymère 1/polymère 2. Pour obtenir un hydrogel adhésif, nous devons tenir compte du fait que la présence d’eau peut considérablement modifier l’efficacité des interactions mises en jeu.
18
2. Interactions et mécanismes responsables de l’adhésion
Pour comprendre l’adhésion des hydrogels en conditions immergées, il est nécessaire de définir les interactions et les mécanismes impliqués dans le phénomène macroscopique [61-63]. Dans une première partie, nous détaillerons les différentes interactions spécifiques (chimiques et physiques) couramment employées pour élaborer des hydrogels adhésifs. Puis nous présenterons les mécanismes physiques à l’origine de la théorie de l’adhésion. Nous discuterons leur pertinence dans le cas de l’adhésion immergée d’hydrogels.
2.1. Interactions moléculaires
L’adhésion chimique d’un gel provient de la formation de liaisons covalentes avec la surface sur lequel il est déposé. Une liaison chimique correspond à la mise en commun de deux électrons, issus de deux orbitales atomiques conduisant à la formation d’une orbitale moléculaire stabilisée.
Les liaisons ainsi formées sont fortes, menant à une adhésion irréversible. Compte-tenu des énergies de liaisons mises en jeu, de l’ordre de 100-300 𝑘𝑇, elle est particulièrement utilisée pour des applications en microchirurgie réparatrice. La formulation liquide est déposée directement sur la peau nécessitant une suture. La réticulation des chaînes de polymères est réalisée in situ en formant simultanément des liaisons peptidiques avec les protéines présentes en surface de la peau [64-68]]. Strehin et al. ont mis au point un hydrogel de poly(éthylène glycol) (PEG), modifié par des groupements chondroïtin sulfate (CS), qui présente une force d’adhésion normalisée par la surface de contact de 50 kPa, contre 5 kPa pour la colle de référence [64]. La réticulation du PEG par des dendrimères, réalisée par Oelker et al., améliore les performances adhésives chimiques de l’hydrogel (contenant ~ 50 % en polymère) d’un facteur 100 par rapport aux colles tissulaires habituellement utilisées, comme les colles cyanoacrylate ou les colles de fibrine d’origine végétale [65]. L’hydrogel est naturellement éliminé après cicatrisation par dégradation enzymatique [63].
L’adhésion physique quant à elle fait intervenir des interactions plus faibles, modifiables en fonction des paramètres expérimentaux. Il peut s’agir d’interactions électrostatiques ou coulombiennes correspondant à l’attraction entre charges opposées ou à la répulsion entre charges de même signe. L’interaction est dite à longue distance, avec une énergie qui varie en r-1 (r étant la distance entre deux charges). L’ordre de grandeur de l’énergie associée à ce type d’interactions est de 5-300 𝑘𝑇. La littérature fait état d’un certain nombre de systèmes collants
19 dans l’air exploitant ces interactions [69-71]. La permittivité de l’eau est 80 fois plus importante que la permittivité du vide, par conséquent les forces et énergies dans l’eau sont 80 fois plus faibles. L’interaction Coulombienne dans l’eau entre petites molécules est en r-3. Toutefois les interactions entre macromolécules chargées sont suffisantes pour envisager l’adhésion d’hydrogels ioniques en solution [72-74]. Tamagawa et al. ont étudié l’adhésion entre deux hydrogels ioniques de poly(acrylamide-co-allylaminehydrochlorure) P(AAm-co-Allyl) et de poly(acrylamide-co-acide acrylique) (PAAm-co-AAc,) gonflés à l’équilibre, susceptibles d’interagir en fonction du pH [73, 74]. L’utilisation d’un liquide ionique, déposé entre les deux gels, permet la formation de ponts salins entre les charges portées par les groupements carboxyliques du P(AAm-co-AAc) et les groupements ammonium du P(AAm-co-Allyl), entraînant une force d’adhésion dans l’air de l’ordre de 2 kPa [74]. Cependant, quand l’ensemble du système après collage dans l’air est immergé en solution aqueuse, les deux gels se détachent facilement et l’adhésion n’est plus suffisante pour maintenir l’interface. Cette perte d’adhésion est attribuée à un changement de pH de la solution, qui serait dû à la dissociation des complexes formés entre le gel et le liquide ionique [74].
Les interactions de Van der Waals sont des interactions plus faibles que celles précédemment exposées, mais leur origine est coulombienne, comme pour les interactions électrostatiques.
Toutefois dans le cadre des interactions de Van der Waals, il n’y a pas de charges fixes, l’interaction se fait entre dipôles. Les dipôles peuvent être permanents, s’il existe une différence d’électronégativité dans la molécule, ou induits, par un champ électrique extérieur par exemple.
L’énergie varie en r-6, ce sont des interactions à courte distance dont l’ordre de grandeur est 0,1 - 5 𝑘𝑇. L’interaction la plus forte se produit entre dipôles permanents (interaction Keesom).
L’interaction de Debye entre dipôle permanent et dipôle induit et l’interaction de London entre dipôles induits sont des interactions plus faibles. Dans l’air les interactions de Van der Waals permettent cependant de concevoir des hydrogels collants [75-79]. L’énergie d’adhésion des systèmes les plus performants, mesurée au contact d’une surface métallique ou d’un tissu vivant, sont de l’ordre de plusieurs dizaines de J.m-2. Par exemple, les hydrogels synthétisés par Wu et al.
de PEG-diacrylate, réticulés chimiquement et physiquement, contenant des nanoparticules de silices et des chaînes linéaires libres de PEG présentent une énergie d’adhésion Wadh de l’ordre de 40 J.m-2 [79]. Les hydrogels nanocomposites de PHEMA, élaborés par Baït et al., dans lesquels sont dispersées des nanoparticules de poly(styrène) (PS), présentent quand à eux des énergies d’adhésion au contact d’une surface mimétique de peau de plus de 150 J.m-2, pour les meilleures
20
formulations [75]. Dans l’eau, les interactions de Van der Waals sont particulièrement réduites pour les systèmes polymères hydrophiles.
En présence d’eau, les interactions susceptibles de ne pas être perturbées par le solvant sont les liaisons hydrogènes et les interactions hydrophobes. Ces interactions faibles sont ciblées pour les applications nécessitant une adhésion réversible type patches et systèmes « drug-delivery », pour lesquelles l’hydrogel doit pouvoir être facilement décollé après traitement, sans traumatisme pour le patient.
La molécule d’eau peut former des liaisons hydrogène avec un polymère hydrophile en solution.
Il s’agit d’un effet électrostatique à courte distance et directionnel entre un atome d’hydrogène portant une charge partielle positive (groupement donneur) et un atome très électronégatif (groupement attracteur), menant localement à la formation d’un dipôle. Une molécule d’eau est susceptible d’interagir en formant quatre liaisons hydrogène ce qui entraine le regroupement de plusieurs dipôles, proches en raison du faible encombrement de la liaison, et alignés les uns par rapport aux autres. Dans le cas d’interactions polymère/polymère en solution, l’eau peut entrer en compétition, agissant alors comme un composant à part entière d’un système ternaire constitué du solvant et des deux surfaces au contact. L’énergie mise en jeu reste relativement faible par rapport à une liaison covalente de l’ordre de 4 à 20 𝑘𝑇. Par ailleurs le temps de vie d’une liaison est de l’ordre de la picoseconde. Cependant, dans le cas particulier des systèmes associés de macromolécules capables de former des liaisons hydrogène multiples, des durées de vie plus grandes ont été observées, permettant de mesurer des énergies d’adhésion de l’ordre de quelques mJ.m-2 [80, 81].
De plus, l’association des groupements polaires dans l’eau entraîne l’exclusion des groupements apolaires susceptibles de se regrouper et d’interagir pour minimiser l’entropie du système et permettre d’obtenir des systèmes adhésifs [82]. Cet effet est à l’origine des interactions hydrophobes, utilisées par exemple pour contrôler l’adhésion de cellules sur des revêtements polymères thermosensibles [83].
L’effet conjugué des liaisons hydrogènes multiples et des interactions hydrophobes peut conduire à des systèmes particulièrement adhésifs. De nombreux exemples illustrent ce phénomène de stabilité et de force de l’interaction en solution comme les bicouches lipides, la structure en double hélice de l’ADN ou l’association d’hydrogels supramoléculaires dont les contraintes associées aux forces d’adhésion atteignent la dizaine de kPa [84, 85].
21 Concernant l’adhésion d’hydrogel, l’énergie d’adhésion est d’autant plus grande que la probabilité de former des interactions spécifiques multiples avec la surface au contact est importante. Ainsi plus l’hydrogel sera concentré en unités monomères susceptibles d’interagir favorablement, plus l’adhésion mesurée sera grande.
2.2. Mécanismes physiques à l’origine de l’adhésion
Si l’adhésion dans l’eau est possible pour des systèmes mettant en jeu une ou plusieurs interactions listées dans le paragraphe précédent, certains mécanismes physiques supplémentaires sont susceptibles de favoriser l’adhésion de deux surfaces.
La théorie du mouillage, appliquée aux systèmes liquides, dans lesquels les tensions de surfaces sont décrites comme des forces intersurfaciques, peut expliquer l’adhésion entre deux surfaces hydrophiles dans l’air. Cette théorie prend en compte la capacité d’un liquide à s’étaler spontanément sur une surface en fournissant un certain travail de sorte à compenser l’énergie de cohésion du liquide. En effet, à l’interface liquide-vapeur, l’environnement d’une molécule est différent de celui des molécules qui se trouvent loin de l’interface (Figure 1.4). A la surface, le nombre de liaisons attractives par molécule est plus faible. Si la somme des forces appliquées par l’ensemble des molécules voisines est statistiquement égale à zéro pour les molécules « bulk », elle n’est pas nulle pour les molécules à l’interface. La résultante des forces est directement dirigée vers l’intérieur du liquide.
Figure 1.4 Origine mécanique de la tension de surface.
En supposant que les effets des tensions de surface soient négligeables dans le cas du contact d’un hydrogel gonflé et d’une surface recouverte de chaînes de polymères hydrophiles dans l’eau,
22
les mécanismes à prendre en compte sont ceux impliqués dans la manière dont sont détachées les deux surfaces. Pendant le décollement, les liaisons multiples créées au cours du contact sont progressivement étirées jusqu’à ce que l’énergie fournie soit suffisante pour les rompre. Pour prédire l’influence de la rupture des liaisons sur l’adhésion du système, il nous faut alors discuter de la dissipation d’énergie liée à la déformation des chaînes de polymères suivie d’un retour rapide à l’état non déformé par rupture.
Lors de l’étirement, les différents motifs qui constituent les deux chaînes de polymères liées stockent de l’énergie élastique de nature entropique qui est dissipée irréversiblement lorsque la liaison se rompt. Ainsi plus l’énergie stockée lors de la sollicitation à la rupture est importante plus le travail d’adhésion est grand.
Le modèle de Lake et Thomas prédit l’énergie de rupture de liaisons covalentes Γ dans les matériaux élastomères. Γ0 est l’énergie nécessaire pour rompre une liaison chimique covalente en pointe de fissure [86]. L’expression de Γ est donnée par l’équation 1.14 :
Γ= 1
2𝐿𝜈𝑁Γ0 Eq 1.14
où 𝐿 est la longueur de déplacement à la rupture, 𝑁 le degré de polymérisation du réseau et 𝜈 la concentration en chaînes élastiquement actives.
Ce modèle a déjà été appliqué à la fracture dans les hydrogels par Sakai et al. Ils ont ainsi montré que l’énergie de rupture des liaisons covalentes dans le gel était proportionnelle à la concentration volumique en chaînes élastiquement actives. Dans le cadre de notre étude, on peut envisager d’appliquer ce modèle à la rupture de liaisons hydrogène ou de liaisons ioniques formées entre deux surfaces polymères dans l’eau. Cependant l’énergie de ces interactions étant faible par définition (elle dépend notamment de leur coopérativité), il est probable que contrairement au cas des élastomères, la liaison soit rompue avant que la chaîne ne soit totalement étirée [87]. Par conséquent les grandeurs 𝐿 et 𝑁 n’ont pas la même importance dans notre cas. A l’instar de Sakai et al., nous pouvons en première approximation envisager de relier directement l’énergie de rupture à la concentration en chaînes élastiquement actives Γ ~ 𝜈 [88].
23 Une contribution dissipative supplémentaire doit être prise en compte dans le cas de matériaux présentant des propriétés viscoélastiques [89]. Elle s’explique d’une part par la plus grande déformabilité de ces matériaux par rapport à un échantillon purement élastique et d’autre part par la friction des monomères des chaînes étirées à l’interface et à l’intérieur même de l’échantillon lors du décollement. Ainsi Patil et al. ont montré qu’un matériau viscoélastique de poly(diméthylsiloxane) (PDMS), au contact d’un mimétique de peau, présente une énergie d’adhésion jusqu’à 6 fois supérieure (~ 2,6 J.m-2) à celle d’un matériau purement élastique (~ 0,4 J.m-2) [90]. Cependant contrairement à un matériau purement élastique, l’échantillon viscoélastique n’est pas réutilisable après la rupture de l’interface avec le substrat, en raison de changements structuraux intervenant lors du décollement (formation de fibrilles, rupture cohésive). Une seconde mesure d’adhésion sur un échantillon viscoélastique, testé une première fois, montre une diminution de l’énergie d’un facteur 5, alors qu’elle reste inchangée dans le cas purement élastique [90].
Suzuki et al. ont observé le même type de comportement sur des hydrogels de poly(acrylate de sodium) gonflés à l’équilibre, réticulés physiquement par des ions aluminium, donnant lieu à des propriétés de viscoélasticité qui augmentent quand le taux de réticulation diminue [91].
L’adhésion mesurée dans l’air diminue lorsque le gel est d’avantage réticulé ; il est moins visqueux donc moins collant. Dans le cas d’hydrogels chimiques bien réticulés, le module de perte est relativement faible. Par conséquent on peut supposer que la dissipation visqueuse lors du décollement ne participe que de manière négligeable au travail d’adhésion.
Les phénomènes de dissipation sont généralement responsables d’une dépendance de l’énergie d’adhésion mesurée à la vitesse de déformation de l’échantillon lors de la rupture de l’interface [89, 91-94].
La théorie de la diffusion des chaînes de polymères dans un gel et le temps de reptation nécessaire à la création d’une interphase diffuse sont également à considérer lorsque l’on s’intéresse à l’adhésion d’un système polymère (Figure 1.5) [95].
24
Figure 1.5 Les trois étapes successives aboutissant à la création d’une interphase diffuse responsable de l’adhésion des deux matériaux : (gauche) mise en contact des deux surfaces, (centre)
interdiffusion des chaînes de polymères d’un matériau dans l’autre, (droite) interphase créée [93].
L’augmentation du volume de l’interphase créée, dont les propriétés physico-chimiques varient continûment d’un matériau à l’autre, permet d’augmenter de manière importante le nombre d’interactions susceptibles de se former. Par ailleurs la reptation des chaînes favorise la formation d’enchevêtrements au niveau de l’interphase, qui est également responsable d’une augmentation de l’énergie d’adhésion. Peppas et al. ont très largement étudié la théorie de diffusion en mucoadhésion [96-101]. Ils ont par exemple mis au point des hydrogels poly(acide acrylique) (PAAc) greffés en surface par des chaînes pendantes de poly(éthylène glycol) (PEG), susceptibles d’interdiffuser en surface de la muqueuse, favorisant ainsi la création d’une interphase avec l’hydrogel [97-99]. L’application du principe de chaînes de polymères linéaires greffées en surface d’un hydrogel a été envisagée pour la promotion de l’adhésion d’un système gel/gel [102].
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3. Comment mesurer l’adhésion d’un hydrogel sous l’eau ?
Pour mesurer l’adhésion d’un matériau sur une surface, différents tests sont classiquement employés selon les caractéristiques du système étudié : le test de pelage, le test de cisaillement et le test de traction (Figure 1.6). L’énergie d’adhésion mesurée dépend généralement de la manière dont est mécaniquement sollicité l’échantillon, c’est-à-dire du test employé [89]. Cela rend délicat la comparaison des valeurs d’adhésion décrites dans la littérature, obtenues sur des systèmes particuliers.
Figure 1.6 Tests d’adhésion classiques : test de pelage (a), test de cisaillement (b) et test de traction (c).
Les tests de traction (ou Probe-Tack) s’avèrent particulièrement adaptés pour quantifier l’adhésion de matériaux mous et fragiles comme les hydrogels. Il existe deux grandes catégories.
La première est basée sur la mesure de forces microscopiques entre molécules individuelles ou monocouches. Les techniques permettant d’évaluer les forces d’adhésion et les énergies mises en jeu dans le cas de l’adhésion d’objets macroscopiques constituent la seconde catégorie.
Dans cette troisième partie, nous présentons quelques exemples de dispositifs microscopiques et macroscopiques, permettant d’effectuer une mesure sur un hydrogel en conditions immergées.
3.1. Mesure par Microscopie à Force Atomique (AFM)
Le principe de la mesure d’adhésion moléculaire par AFM consiste à mesurer la force exercée sur une pointe nanométrique au cours de ses approches et retraits successifs de la surface du matériau sondé. Dans le but de favoriser les interactions avec la surface, la pointe AFM peut être modifiée par le greffage de chaînes polymères [103] ou en lui attachant une particule colloïdale [104]. Par ailleurs, il est possible d’effectuer la mesure en environnement humide. Sonnenberg et al. ont ainsi étudié l’adsorption sur une pointe AFM d’une monocouche greffée de PAAc en fonction du pH de la solution d’immersion [105, 106]. Ils ont montré que la longueur de chaîne à la désorption dépend non seulement de la longueur réelle de la chaîne, mais également de sa
