Design of surface-attached hydrogel thin films with LCST/UCST temperature-responsive properties

par Ekkachai Martwong

Thèse de doctorat en Chimie-physique des matériaux

Sous la direction de Yvette Tran.

Le président du jury était Eric Drockenmuller.

Le jury était composé de Christophe Chassenieux, Laurent Bouteiller.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Marie-Begue, Laurent Billon.

  • Titre traduit

    Développement de films minces d’hydrogels greffésà propriétés thermo-stimulables LCST et UCST


  • Résumé

    Les films minces d'hydrogels thermosensibles à propriétés LCST/UCST (Lower/Upper Critical Solution Temperature) avec des températures de transition variables ont été mis au point pour des applications spécifiques. Les réseaux chimiques de polymères fixés de manière covalente sur des substrats solides plans ont été synthétisés par une approche polyvalente et facile à mettre en œuvre en utilisant la chimie click thiol-ène. Elle consiste à déposer des polymères préformés et réactifs en présence des réticulants dithiol sur des substrats modifiés thiol, la réaction de thiol-ène permettant la réticulation simultanée entre chaînes et le greffage en surface. La stratégie CLAG (Cross-Linking And Grafting) donne des films d'hydrogel chimiquement stables et reproductibles avec une large gamme d'épaisseur et avec les propriétés thermostimulables désirées. Les polymères hydrophiles fonctionnalisés par des groupes fonctionnels alcène peuvent être synthétisés en utilisant une copolymérisation radicalaire du monomère souhaité avec du méthacrylate d'allyle dans un solvant organique ou un co-solvant avec de l'eau. Une autre voie est la synthèse dans l'eau en deux étapes: le monomère désiré est copolymérisé avec l'acide acrylique puis le copolymère est modifié par l’allylamine. Trois familles de polymères ont été étudiées: poly(PEGMA), poly(acrylamide) et poly(zwitterion). La température de transition des films d'hydrogel est déterminée en mesurant l'épaisseur dans des solutions aqueuses par ellipsométrie. Les films d'hydrogel de poly(PEGMA) montrent des propriétés de LCST avec la température de transition augmentant avec le nombre d'unités de PEG. La LCST varie de 15°C à 60°C avec deux à cinq unités de PEG dans les chaînes pendantes. La LCST peut également être ajustée en utilisant des copolymères avec différents ratios. Les films d'hydrogel acrylamide ont à la fois des propriétés LCST et UCST. Les films d'hydrogel de poly(sulfobetaïne) montrent un comportement UCST très intéressant en plus d’être « anti-fouling », ce qui est très prometteur pour les applications en biologie.


  • Résumé

    Temperature-responsive surface-attached hydrogel thin films with various LCST/UCST (Lower/Upper Critical Solution Temperature) were designed for specific applications. The chemical polymer networks covalently attached on plane solid substrates were synthesized by a versatile and straightforward approach using thiol-ene click chemistry. It consists in coating ene-reactive polymers and dithiol crosslinkers on thiol-modified substrates, the thiol-ene click reaction allowing simultaneous cross-linking between chains and grafting on the surface. The CLAG (Cross-Linking And Grafting) strategy provides chemically stable and reproducible hydrogel films with a wide range of thickness and with the desired temperature-responsive properties. Ene-functionalized hydrophilic polymers can be synthesized using free radical copolymerization of the desired monomer with allyl methacrylate in organic solvent or co-solvent with water. Another way is the synthesis in water in two steps: the desired monomer is copolymerized with acrylic acid and then the copolymer is post-modified by amidification. Three polymer families were investigated: poly(PEGMA), poly(acrylamide) derivatives and poly(zwitterions). The transition temperature of the hydrogel films is determined by measuring the thickness in aqueous solutions at different temperatures with ellipsometry. Poly(PEGMA) hydrogel films show LCST properties with the transition temperature increasing with the number of PEG units. The LCST ranges from 15 °C to 60 °C with two to five PEG units in the pendant chains. The LCST can also be adjusted using mixed copolymers hydrogel. Poly(acrylamide) derivatives hydrogel films have both LCST and UCST properties. Poly(sulfobetaine) hydrogel films show very interesting UCST behavior in addition to be anti-fouling, which is very promising for biology applications.


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