Chemical nanosensors based on molecularly imprinted polymer nanocomposites synthesized by controlled radical polymerization

par Carlo Gonzato

Thèse de doctorat en Biotechnologie

Sous la direction de Paméla Pasetto et de Karsten Haupt.

Soutenue en 2012

à Compiègne .

mots clés

• Mip
• Polymères à empreintes moléculaires
• Nanocapteurs
• Nano-composites
• Nano-structures cœur-coquille
• Superparamagnétiques
• Matériaux composites
• Polymères
• Polymérisation
• Réticulation (polymérisation)
• Impression moléculaire
• Reconnaissance moléculaire
• Nanostructures
• Nanotechnologie
• Matériaux nanostructurés
• Nanobiotechnologie
• Nanoparticules
• Microcapteurs
• Biocapteurs
• Composites
• Spectroscopie Raman
• Catalyse

Titre traduit

Nano-capteurs chimiques à base de nano-composites polymères à empreinte moléculaire synthétisés par polymérisation radicalaire contrôlée

Résumé

Les polymères à empreintes moléculaires (MIP, pour molecularly imprinted polymers en anglais) sont des récepteurs synthétiques, parfois appelés "anticorps en plastique", capables de reconnaitre et fixer spécifiquement une molécule cible. L’impression moléculaire s’est imposée, durant les trente dernières années, comme une technique pour la synthèse des structures réticulées possédant une remarquable affinité et sélectivité vis-à-vis d’une espèce chimique utilisée comme molécule empreinte dans un procédé de moulage au niveau moléculaire. La grande variété de matériaux et de formats accessibles à cette technique lui ont permis de trouver un grand nombre d’applications, telles que la séparation, les capteurs, la catalyse, le ré-largage contrôlé de médicaments. Depuis leur apparition, la plupart des MIPs a été synthétisée par polymérisation radicalaire libre (FRP) des monomères vinyliques. Cette méthode de polymérisation représente un excellent choix en termes de simplicité de mise en place, tolérance par rapport aux solvants et aux différents groupements fonctionnels des ingrédients. Cependant, plusieurs désavantages liés à cette technique limitent la possibilité d’obtenir un contrôle adéquate vis-à-vis de certaines caractéristiques fondamentales pour des applications en nano-technologies. L’introduction des techniques de polymérisation radicalaire contrôlée/vivante (CRP) a donc représentée une avancée importante et a permis de dépasser certains limites associés aux MIPs synthétisés par FRP. Dans ce contexte, ce travail de thèse a étudié les avantages provenant de l’utilisation d'une méthode CRP, le RAFT, pour la synthèse des MIP. Ce travail a été mené en se focalisant sur les caractéristiques principales des CRPs : le caractère vivant et, en même temps, contrôlé. Dans un premier temps, nous avons utilisé l’aspect vivant de la polymérisation pour la synthèse des nanocomposites MIP, possédant des propriétés superparamagnétiques. Celle-ci a été effectuée par polymérisation de couches p(EGDMA-co-MAA) par RAFT amorcée à la surface des particules de Fe3O4 préfonctionnalisées avec des groupements amine. Le greffage de ces couches a été obtenu en employant des ultrasons comme source d'agitation, et en testant différents solvants pour en apprécier l’influence sur la structure et la morphologie des composites résultants. Nous avons démontré que le greffage se produit d’une façon homogène, et que grâce au caractère vivant de la polymérisation RAFT, les composites peuvent être fonctionnalisés davantage, par exemple par des chaines p(EGMP), pour ajuster leur propriétés de surface. Dans un deuxième temps, nous nous sommes consacrés à une étude comparative visant la mise en évidence des avantages de la RAFT par rapport à la FRP en termes de performances des MIP acryliques et méthacryliques. Pour mieux apprécier les différences induites par la méthode de polymérisation, le dégrée de réticulation et donc la flexibilité des réseaux ont été variés de façon systématique. Cette stratégie a permis de bien apprécier les différences induites par chaque technique de polymérisation. Les résultats ont démontré que la RAFT permet de synthétiser des MIPs ayant une meilleure affinité pour leur molécule cible, et que cette amélioration est due à une distribution plus homogène des points de réticulation au sein du réseau. Finalement, nous avons appliqué la RAFT pour la synthèse de nanocapteurs individuels basés sur des composite MIP intégrant des nanoparticules d'or, et utilisant la spectroscopie Raman exaltée (SERS) pour la détection.

Résumé

Molecularly imprinted polymers (MIPs) are synthetic receptors, also known as antibody mimics, that can specifically bind target molecules. Molecular imprinting has emerged, over the last 30 years; it is an extremely versatile strategy for synthesizing networks possessing high affinity and selectivity for a chemical species, used as a molecular template during their synthesis. The wide variety of materials and formats that are accessible through this strategy has resulted in a broad spectrum of applications for such MIPs, ranging from separation to sensing, catalysis, drug delivery, etc. Since the beginning, the great majority of the imprinted networks has been synthesized by assembling vinyl monomers via free-radical polymerization (FRP). This polymerization method represents a convenient choice for synthesizing MIPs, due to its easy setup, versatility, tolerance with respect to many solvents and functional groups. However, some drawbacks greatly affect the possibility of achieving of suitable degree of control over some “polymeric” parameters which become important for specific applications. The introduction of controlled/”living” radical polymerization (CRP) techniques has then represented an opportunity for MIPs to reduce, and in some cases even to overcome, some of their limits arising from FRP. In this respect, this Ph. D. Thesis has studied how the use of RAFT polymerization, one of the most applied CRPs, can be advantageously used to syntheze MIPs. This has been done by focusing on the main characteristics of CRPs: their living and controlled nature. The living nature has been exploited during the first part of this work, which involved the synthesis of superparamagnetic molecularly imprinted nanocomposites via surface-initiated RAFT polymerization of p(EGDMA-co-MAA) on amino-modified Fe3O4 nanoparticles. The polymer grafting has been performed using an unusual stirring technique (i. E. Ultrasonication) during the polymerization step, and by testing different polymerization solvents for evaluating their effect on the composite structure. It has been observed that the grafting resulted in homogeneous polymer layers, the thickness of which could be controlled by adjusting the RAFT/radical source ratio. Moreover, the living nature of RAFT fragments has been exploited for post-functionalizing the surface of a composite particle with p(EGMP) brushes, thus demonstrating the potential of fine-tuning the particle surface properties through the living chain ends. In the second part of the thesis, an in-depth study has been performed on the effects induced by the use of controlled (RAFT) polymerization conditions on the binding behaviour and structural parameters of bulk acrylic and methacrylic MIPs and the corresponding non-imprinted polymers, synthesized by RAFT and FRP with varying cross-linking degree. This strategy actually provided scaffolds with progressively increased degree of flexibility (especially in the case of acrylics) which allowed visualize the enhancement of binding and structural differences arising from the polymerization technique. As a result, it has been observed that the use of controlled (RAFT) conditions induced, on the imprinted networks, an increased template affinity over equivalent FRPs, and it has been demonstrated that this improved affinity can be related to more homogeneous distributions of the cross-linking points achieved during RAFT polymerization. The third part presents preliminary results toward the synthesis by RAFT of individual multi-composite MIP nanosensors using enhanced Raman spectroscopy (SERS) for detection.