Stimuli-responsive polymer coatings based on (poly-L-Lysine)-g-poly(N-isopropylacrylamide) to control specific cell adhesion

par Fabrice Dalier

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Emmanuelle Marie-Begue.

Le président du jury était Yong Chen.

Le jury était composé de Emmanuelle Marie-Begue, Yong Chen, Patrice Woisel, Karine Anselme, André Laschewsky, Christophe Tribet, Matthieu Piel.

Les rapporteurs étaient Patrice Woisel, Karine Anselme.

  • Titre traduit

    Revêtements polymères stimulables à base de (poly-L-lysine)-g-poly(N-isopropylacrylamide) pour contrôler l’adhésion cellulaire spécifique


  • Résumé

    Des revêtements polymères basés sur la physisorption de copolymères en peigne, dérivés du (Poly-L-Lysine)-g-poly(N Isopropylacrylamide) noté PLL-g-PNIPAM, ont été développés afin de contrôler réversiblement l'adhésion cellulaire. La préparation de ces revêtements repose sur l'adsorption spontanée de la poly(lysine) sur la plupart des substrats anioniques usuels en biologie, aisément mis en oeuvre par le non-spécialiste : une simple immersion du substrat dans une solution de PLL-g-PNIPAM donne une monocouche résistante au rinçage et dense en chaines poly(N-Isopropylacrylamide) thermosensibles.L'adsorption de copolymères en peigne dérivés de la PLL et portant des chaînes latérales de natures variées permet d'ajuster à souhait les propriétés du revêtement. Notre attention s'est portée particulièrement sur l'étude de couchesthermosensibles poly(N-Isopropylacrylamide-coligand), où le ligand est soit un groupe biotine, soit un peptide d'adhésion.Une voie de synthèse générique de dérivés PLL-g- PNIPAM est décrite. Elle se fonde sur la polymérisation RAFT du N-acryloxysuccinimide et la post-modification des unités de répétition puis des extrémités de chaînes. Des mesures de la température de transition soluble/insoluble en solution et des caractérisations par AFM et QCM-d de l'extension des chaînes en surface ont permis de démontrer que la transition au sein des revêtements s'opère à une température proche de celle en solution. La stabilité en termes de composition et d'épaisseur des revêtements suite à des cycles de transitions thermiques a été vérifiée. Une étude de l'adsorption de particules décorées par des protéines comme l'avidine a permis de montrer la capacité des couches adsorbée à exposer/masquer la biotine, et à réguler la formation de liaisons spécifiques par simple changement de température. Pour s'assurer de la possibilité d'ajustement du contraste d'accessibilité de ligands, cette étude a été complétée par des mesures sur des couches mixtes contenant des mélanges de chaînes fonctionnelles ou non fonctionnalisées. Enfin, en utilisant un peptide d'adhésion (RGD) comme ligand, il a été montré que l'interaction avec la surface de cellules HeLA peut être réversiblement contrôlée via une variation de température de quelques degrés, moyennant d'optimiser la densité en peptides et la présence de chaînes répulsives en surface.Un control local par stimulation lumineuse a été envisagé. Des poly(N-Isopropylacrylamide) contenant des azobenzenes furent synthétisés mais ne montrent qu'une faible réponse lumineuse.


  • Résumé

    Polymer coatings based on the physorption of comb-like polymers, (Poly-L-Lysine)-g-poly(NIsopropylacrylamide)derivatives (PLL-g-PNIPAM), have been developed to reversibly modulate specific cell adhesion on demand.This technique of coating relies on the spontaneous adsorption of PLL on typical anionic substrates used in biology: a simple bath application of substrates in solution of PLLg-PNIPAM affords a stable polymer adlayer with dense and thermoresponsive poly(NIsopropylacrylamide) brushes. Adsorption of comb-like polymers with different strands enables to easily modulate properties of the coatings. We focused on thermoresponsive poly(N-Isopropylacrylamide-co-ligand) brusheswhere ligand is Biotin or a peptide of adhesion.A versatile synthesis of PLL-g-PNIPAM is presented. This synthesis is based on RAFT polymerization of N-acryloxysuccinimide and post-modifications of both the backbone and the polymer ends. Detection of the transition soluble/insoluble in solution and AFM/QCM-d studies of PNIPAM adlayers demonstrate that the critical temperature in adlayers are close to the one in solution. Stability in terms of composition and thickness has been checked after temperature cycles. The study of the adsorption of Avidin-coated particles suggests that these adlayers can expose/mask Biotin, and so regulate specific interaction by simple change in temperature. To optimize the thermal contrast of ligand accessibility, this study includes measurements on mixed adlayers with functionalized/unfunctionalized brushes. Finally, specific adhesion of HeLa cells can be thermally modulated on adlayers presenting repellent brushes and with controlled densities of adhesive peptides (RGD).A local control has been considered on such coatings by using light stimulus. In this context, azobenzene-containing Poly(NIsopropylacrylamide) were synthesized but they shown only a weak light-response.


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