Synthèse de microgels biocompatibles, hybrides et stimulables pour des applications cosmétiques

par Mohamed Boularas

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Polymères

Sous la direction de Laurent Billon.

Soutenue le 22-05-2015

à Pau , dans le cadre de École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques) .

mots clés

• Microgels
• Multi-stimulables
• Matériaux hybrides
• Nanoparticules magnetiques
• Polymerisation
• Films auto-assemblés
• Transductions mécanoélectriques
• Matériaux hybrides
• Nanoparticules
• Polymérisation

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration de microgels biocompatibles et multi-stimulables à base de méthacrylate d’oligo(éthylène glycol) et de nanoparticules d’oxyde de fer. Des microgels sensibles au pH, à la température et au champ magnétique ont été élaborés au cours de cette étude via une stratégie multi-étape partant de : 1. la synthèse et la caractérisation de microgels pH- et thermosensibles à base d’oligo(éthylène glycol), 2. l'élaboration de microgels hybrides par imprégnation de nanoparticules magnétiques au sein des microgels d’oligo(éthylène glycol). L’étude de la synthèse des microgels et de leurs propriétés physico-chimiques a permis de mettre en avant l’effet important de la structure interne des microgels sur leurs propriétés de gonflement/contraction. La caractérisation des microgels hybrides a mis en évidence l’importance des fonctions acide carboxylique réparties de manière homogène au sein des microgels, le tout permettant d’encapsuler efficacement et de manière homogène des nanoparticules magnétiques tout en préservant les propriétés colloïdales et thermo-stimulables des microgels hybrides. Enfin des films structurés constitués de multicouches de microgels ont ainsi pu être élaborés via un procédé simple de séchage de dispersion aqueuse de microgels. Une étude prospective des propriétés optique et mécanoélectrique de films auto-assemblés de microgels d’oligo(éthylène glycol) hybride et non hybride par évaporation de solvant a permis de mettre en évidence le rôle positif des groupements ioniques issus des fonctions carboxylates sur le potentiel électrique induit lors de la compression des films.

mots clés

• Microgels
• Stimuli-responsive
• Hybrid materials
• Magnetic nanoparticles
• Polymerization
• Self-assembled films
• Mechanoelectrical transduction

Titre traduit

Synthesis of biocompatible, hybrid and multiresponsive microgels for cosmetic applications

Résumé

Smart polymer materials can provide wide range of options to induce advanced functional features and relevant surface properties in one material. This all-in-one concept is of great interest for applications that require several simultaneous treatments such as cosmetic application. Herein, we aim to develop oligo(ethylene glycol)-based biocompatible multiresponsive microgels that could both interact on the skin as smart drug delivery system (DDS) while fulfilling advanced properties such as surface protection, mechanical and optical properties. Specifically, aqueous dispersed microgels responsive to pH, temperature and magnetic field were synthesized via multi-step strategy: 1. The synthesis and characterization of pH- and thermo-responsive oligo(ethylene glycol)-based microgels by precipitation polymerization, 2. The encapsulation of pre-formed magnetic nanoparticles via adsorption of the nanoparticles into the multiresponsive microgels. The effect of the microgel microstructure on their pH- and thermo-responsive properties were highlighted thanks to a rational investigation of the crosslink density and acid-functional units distribution within the microgels. Oligo(ethylene glycol)-based microgels with homogeneous distribution of both acid-functional unit and crosslinker allowed the synthesis of highly pH-and thermo-responsive microgels. The hybrid microgels prepared by straightforward encapsulation of pre-formed magnetic nanoparticles were characterized. The homogeneous microstructure of the initial stimuli-responsive biocompatible microgels plays a crucial role for the design of unique well-defined ethylene glycol-based thermoresponsive hybrid microgels. Thus, robust monodisperse thermoresponsive magnetic microgels were produced, exhibiting both a constant value of the swelling-to-collapse transition temperature and good colloidal stability whatever the NPs content. These smart microgels can spontaneously form a transparent film with perfect arrangement of the microgels by simple solvent evaporation process. The characterization of the optical and mechanoelectrical properties of the self-assembled microgel films were performed. We highlighted that the presence of anionic charges inside the microgels emphasizes the mechanoelectrical effect of the films.