Loading of dendrimer nanoparticles into layer-by-layer assembled Poly(diallyl dimethyl ammonium) chloride-(Poly(acrylic acid))n Multilayer Films : Particle Electrokinetics, Film Structure Dynamics and Elasticity

par Mariam Moussa

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Jérôme Duval.

Le président du jury était Claudine Filiâtre.

Le jury était composé de Grégory Francius.

Les rapporteurs étaient Claudine Filiâtre, Bruno Lartiges.

  • Titre traduit

    Chargement de nanoparticules de dendrimères en films multicouches du type (poly(diallyldiméthylammonium)chlorure-poly(acide acrylique))n : électrocinétique des particules, élasticité et dynamique de la structure des films


  • Résumé

    Une analyse détaillée des propriétés physico-chimiques des nanoparticules (NP) anthropogéniques est nécessaire pour comprendre à un niveau mécanistique leurs interactions/toxicité potentielle avec/envers les composants biotiques des systèmes aquatiques naturels. Une telle analyse est également requise pour réaliser une évaluation complète et une optimisation de la performance des méthodes d’(ultra)filtration développées pour circonscrire le relargage des NPs dans les milieux aquatiques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse de doctorat était de déchiffrer les processus physico-chimiques fondamentaux régissant la capture de nanodendrimères carboxylés (PAMAM-COOH) - utilisés fréquemment dans des applications biomédicales – par des films multicouches du type (poly(diallyldiméthylammonium)chlorure-poly(acide acrylique))n ((PDADMAC-PAA)n) assemblés par déposition séquentielle des composantes polymériques cationique et anionique. À cette fin, une étude systématique des propriétés électrohydrodynamiques des NPs PAMAM-COOH a d'abord été effectuée en fonction du pH et de la concentration en sel monovalent du milieu. Sur la base de la théorie électrocinétique de particules molles ayant une fonctionnalité zwitterionique, il est démontré que les caractéristiques électriques interfaciales des NPs considérées sont déterminées à la fois par des contributions électrostatiques de surface et volumique des nanoparticules, lesquelles dependent de l’extension intraparticulaire de la double couche électrique. L’existence de ces deux types de contributions conduit à un changement remarquable de signe de la mobilité des NPs en modifiant la concentration du sel monovalent en solution et à une dépendance prononcé du point de zéro mobilité des NPs avec la concentration de l’électrolyte. En outre, une confrontation quantitative entre résultats expérimentaux et théorie souligne comment les modifications structurales des NPs induites par des changements de pH et de salinité affectent les caractéristiques électrocinétiques des dendrimères. Dans une deuxième partie, la structure, la morphologie et les propriétés mécaniques des films PDADMAC-PAA et leur évolution temporelle dans des conditions de vieillissement naturel ou après traitement thermique ont été déterminées par microscopie à force atomique (AFM) et analyses microspectroscopie Raman. Les résultats démontrent que les films multicouches PDADMAC-PAA de type exponentiel présentent des caractéristiques mécaniques et structurelles typiques de films polyélectrolytes multicouches à croissance linéaire. En particulier, leur relaxation lente vers un état d’équilibre est accélérée après traitement thermique à 60°C et se révèle être intimement liée à l'instabilité de domaines de films riches en PDADMAC, épuisés en eau (faits confirmés par la théorie de la fonctionnelle de la densité) et marqués par la présence de structures caractéristiques en forme de ‘donuts’. Dans une dernière partie, des résultats préliminaires sont donnés pour la dépendance de l'élasticité des films multicouches PDADMAC-PAA avec la concentration en solution de nanodendrimères. Les résultats suggèrent que ces films multicouches complexes constituent une option prometteuse pour la capture et l'élimination de nanodendrimères carboxylés présents en milieux aqueux


  • Résumé

    A detailed analysis of the physicochemical properties of engineered nanoparticles (NPs) is required to understand on a mechanistic level their interactions/potential toxicity with/towards biotic components of fresh water systems. Such an analysis is further mandatory to achieve a comprehensive evaluation and optimisation of the performance of (ultra)filtration methods developed to prevent NPs release into aquatic media. Within this context, the aim of this PhD thesis was to decipher the basic physico-chemical processes governing the loading of carboxylated-poly(amidoamine) (PAMAM-COOH) nanodendrimers -commonly employed in biomedical applications- into layer-by-layer assembled (poly(diallyl dimethyl ammonium) chloride-poly(acrylic acid))n ((PDADMAC-PAA)n) multilayer films. For that purpose, a systematic investigation of the electrohydrodynamic properties of PAMAM-COOH NPs was first performed as a function of pH and monovalent salt concentration in solution. On the basis of advanced electrokinetic theory for soft particles with zwitterionic functionality, it is demonstrated that the interfacial electrostatic features of the considered NPs are determined both by surface and bulk particle contributions to an extent that depends on electrolyte concentration. This leads to a remarkable NPs mobility reversal with changing monovalent salt concentration and to a marked dependence of the point of zero NPs mobility on electrolyte content. In addition, confrontation between experiments and theory further highlights how pH- and salt-mediated modifications of the NP particle structure affect dendrimer electrokinetic features at large pH and/or low salt concentrations. In a second part, the structure, morphology and mechanical properties of PDADMAC-PAA films, and their evolution over time under natural aging conditions or after thermal treatment, were addressed from atomic force microscopy (AFM) and Raman microspectroscopy analyses. Results evidence that PDADMAC-PAA multilayer films of exponential type exhibit mechanical and structural features that are typical for polyelectrolyte multilayer films with linear growth. In particular, their slow relaxation to equilibrium is accelerated after heating treatment at 60°C and, in line with density functional theory computation, this relaxation dynamics is shown to be intimately connected to instability of film domains rich in PDADMAC, depleted in water and marked by the presence of characteristic donut-like structures. In a final part, the reported dependence of PDADMAC-PAA multilayer films elasticity on concentration of nanodendrimers in bulk solution suggests that these complex multilayer films constitute a promising option to be further investigated for the loading and removal of carboxylated nanodendrimers from aqueous environments


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